هل سألت نفسك يومًا وأنت تدرس الكيمياء كيف وصلت الكيمياء إلى هذا التقدم إلى حد معرفة شكل الجزيئات والمركبات الكبيرة، وميكانيكية التفاعلات، العضوية والحيوية؟ اليوم ستعرف الإجابة والتي تتمثل في استخدام الحاسوب للوصول إلى هذه المعلومات الدقيقة فيما يُسمى بالكيمياء الحاسوبية.
ماهي الكيمياء الحاسوبية؟
الكيمياء الحاسوبية هي استخدام الحاسوب لمعرفة التراكيب والتفاعلات الجزيئية، ونما هذا المجال خلال عقود قليلة مضت بسبب التطور الهائل في الحواسيب والبرمجيات، وزيادة كفاءتها واستخدامها لحساب خواص الجزيئات في كثير من التطبيقات في علم الكيمياء.
تطور الكيمياء الحاسوبية
تعود جذور الكيمياء الحاسوبية إلى المحاولات المبكرة لعلماء الفيزياء النظرية، والتي بدأت في عام 1928 لحل معادلة شرودنغر باستخدام آلات حسابية ميكانيكية. لقد تحققت هذه الحسابات من أن حلول معادلة شرودنجر استنسخت كميًا خصائص ملحوظة تجريبيًا للأنظمة البسيطة مثل ذرة الهليوم وجزيء الهيدروجين. تلك الحلول التقريبية للأنظمة الأكبر والحلول الدقيقة لمشكلات النماذج البسيطة سمحت للكيميائيين والفيزيائيين بتقديم تفسيرات نوعية لأطياف، وبنية، وتفاعلية لجميع أنواع المواد.
خلال الحرب العالمية الثانية تم اختراع أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية، وفي العقد التالي للحرب أصبحت هذه الأجهزة متاحة للاستخدام العام من قبل العلماء، ابتداءً من منتصف خمسينيات القرن العشرين، تم تطوير تخصص جديد بشكل أساسي من قبل الكيميائيين. حيث تم إجراء محاولات جادة للحصول على معلومات كمية عن سلوك الجزيئات من خلال التقريب العددي لحل معادلة شرودنغر، والتي تم الحصول عليها باستخدام الحاسوب. وقد جاء النجاح الحالي لهذا المجال بشكل كبير من الزيادة الهائلة في السرعة، وانخفاض تكلفة أجهزة الكمبيوتر، مع تحسينات مهمة تُعزى أيضًا إلى العديد من التطورات في الخوارزميات (algorithms) والمنهجية (methodology).
خلال الستينات من القرن الماضي، أدت تطورات في الخوارزميات والمنهجية إلى الاستفادة من كيمياء الكم، وظهرت هذه التطورات في العديد من حزم البرامج التي كانت متاحة بسهولة لمعظم الكيميائيين في أوائل السبعينيات على يد الثلاثي مارتن كاربلس ومايكل ليفيت وأورييه ورسيل، ولذلك حازوا نوبل في الكيمياء عام 2013 لتطويرهم الكيمياء الحاسوبية؛ مما أدى إلى انفجار في التطبيقات الحاسوبية للمسائل الكيميائية. تستخدم هذه البرامج للتنبؤ وتفسير بنية الجزيئات وتفاعلاتها وتكميل المعلومات التي تم الحصول عليها من العديد من أنواع القياسات الطيفية، وبطبيعة الحال استمر تطور البرامج من تلك التي استخدمت لدراسة أنظمة أحادية أو ثنائية الذرة في عام 1928 إلى تلك التي استخدمت لدراسة نظم ثنائية أو خماسية الذرة في عام 1970، إلى البرامج الحالية التي تنتج نتائج كمية مفيدة للجزيئات التي يصل تكوينها إلى 10 إلى 20 ذرة.
منذ عام 1980 أصبح استخدام هذه البرامج أداة روتينية لنمذجة الجزيئات والتفاعلات الكيميائية في المرحلة الغازية، في هذه الأثناء استخدم الكيميائيون تقريبًا أبسط لتقدير طاقة الجزيئات بالقرب من حالة اتزانها. في منهج الميكانيكا الجزيئية، يساوي مجموع الطاقة في النظام الكيميائي تقريبًا مقدار مجموع بعض المعطيات البسيطة التي تشمل المسافات بين الذرات وزوايا الرابطة. تتضمن هذه المعطيات المعلومات المقدرة التي يفترض أن يكون لها نفس القيم التي لدى المعطيات التي تم الحصول عليها من بيانات لجزيئات أبسط. هذا التمثيل للطاقة جعل من الممكن نمذجة النظم البيولوجية وتصميم الأدوية بمساعدة العديد من البرامج التي تنتج صورًا ثلاثية الأبعاد للرسومات الحاسوبية للجزيئات. أصبحت الميكانيكا الجزيئية منتشرة لدرجة أن العديد من الكيميائيين يساوونها الآن بالكيمياء الحاسوبية. وقد سمح هذا النهج النمذجة من الجزيئات مع الآلاف من الذرات.
وقد تبع ظهور ميكانيكا الكم الجزيئية ظهور نظرية ناجحة تفسر التفاعل الكيميائي تُسمى نظرية الحالة الانتقالية، وتفسر التفاعل الكيميائي كتجاوز المتفاعلات لمستوى معين من الطاقة، وتصبح في حالة انتقالية عالية الطاقة والتي بدورها تتحول إلى نواتج التفاعل، وهذا النموذج استخدم الطاقة كدالة لإحداثيات التفاعل، ظل هذا النموذج البسيط المفاهيمي هو النهج السائد لتقدير معدلات التفاعلات الكيميائية. ولكن بسبب تعدد النظام التفاعلي، فمن الصعب حسابيًا تنفيذ ذلك بشكل صارم، فعلى مر السنين ركزت الجهود على تحسين أساليب تقدير حواجز التفاعل وخصائص المواد المتفاعلة، وتطلبت ذلك حلولًا أفضل للحالات الانتقالية الإلكترونية والنووية.
المهم إنه تم الاعتراف بنضج مجال الكيمياء الحاسوبية من خلال منح جائزة نوبل في الكيمياء عام 1998 إلى جون بوبل ووالتر كون لمساهماتهما في تطوير التقنيات الحاسوبية؛ من أجل توضيح التفاعلات والتراكيب الجزيئية.
تطبيقات الكيمياء الحاسوبية
أصبحت لبرمجيات الحاسوب تطبيقات متعددة لحساب الخواص الكيميائية للكثير من المواد في المجالات العلمية البحتة، مثل الخواص الحرارية والكهربية والحسابات التي تتعلق بالتوزيع الإلكتروني لبعض المواد، وأيضًا في مجالات عملية مثل صناعة وتصميم الأدوية، وفي كيمياء البيئة والغلاف الجوي، وفي النانوتكنولوجي وفي علم المواد، ولنفهم ذلك سنستعرض مثالين :
1. في تقنية النانو
تدور الدراسات حول أكاسيد أشباه الموصلات: كأكسيد الخارصين (ZnO) وأكسيد التيتانيوم (TiO2) كمحفزات ضوئية (تحفز التفاعلات الكيميائية من خلال امتصاص الضوء)، وخاصة الأخير لانخفاض تكلفته وكفاءته، ويوجد على هيئة تجمعات كريستالية تتم دراستها على مستوى النانو من خلال دراسات حاسوبية بواسطة نظرية الدالة الوظيفية للكثافة (DFT) على تجمعات لذرات أكسيد التيتانيوم (TinO2n)، يتم التوصل على أكثر التراكيب استقرارًا وتأثير تلك الجسيمات النانونية على الخواص الكيميائية الضوئية، حيث أن شكل تجمع الذرات في الكريستالات وطريقة تحضيرها يؤثر على تأثيرها كعوامل حفازة، وبالتالي يؤثر على كفائتها.
2. في الأدوية
الدواء هو جزيء أو بروتين صغير يرتبط بموضع مستقبل محدد لجزيء مستهدف مثل: بروتين أكبر أو حمض نووي، ويمنع تقدم المرض. من أجل ابتكار علاجات فعالة، نحتاج إلى معرفة كيفية وصف وتحسين البنية ثلاثية الأبعاد للدواء، والتفاعلات الجزيئية بين الدواء وهدفه. كما يخضع ارتباط الرابطة أو النزيل إلى بوليمر حيوي أو مضيف للتفاعلات الجزيئية، وتتضمن الأمثلة على المجمعات البيولوجية المضيفة للضيف: إنزيمات ومكونات الركيزة، ومجمعات مستضد – الجسم المضاد -، ومجمعات مستقبلات الأدوية. في جميع هذه الحالات يحتوي موقع على الضيف على مجموعات وظيفية يمكن أن تتفاعل مع مجموعات وظيفية متكاملة من المضيف، ويمكن للدراسات الحسابية تحديد مناطق جزيء يحتوي على كثافة إلكترونية عالية أو منخفضة. وعلاوة على ذلك، يسمح التمثيل البياني للنتائج العددية برؤية الخصائص الجزيئية مباشرةً، مثل توزيع كثافة الإلكترونات، وبالتالي تعزيز قدرتنا على التنبؤ بطبيعة الاتصالات الجزيئية بين المضيف والضيف.
3. الكيمياء وحواسيب الكم
مؤخرًا حدثت موجة من التطورات في الأجهزة والبرامج الحاسوبية الكمومية منذ عام ، مما يشير إلى أنّ أجهزة الكمبيوتر الكمومية المفيدة في متناول اليد، ويمكن أن يتضمن تطبيقات تلك التقنية مسائل كيميائية كبيرة. في الواقع لقد حلم الباحثون باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لمحاكاة الأنظمة الكيميائية منذ الثمانينيات، ويعتقد الكيميائيون أن هذه الآلات يمكن أن تساعد الباحثين على تطوير محفزات جديدة، وموصلات فائقة فائقة الحرارة، والمزيد المزيد.
إعداد: Khaled Rouhoma
تدقيق: Wael Yassir
المصادر:
- Chemistry is quantum computing’s killer app | October 30, 2017 Issue – Vol. 95 Issue 43 | Chemical & Engineering News [Internet]. [cited 2018 Oct 19]. Available from: https://cen.acs.org/articles/95/i43/Chemistry-quantum-computings-killer-app.html
- Atkins P, De Paula J, Friedman R. Quanta, matter, and change: a molecular approach to physical change. New York: W.H. Freeman & Company; 2009.
- Read “Mathematical Challenges from Theoretical/Computational Chemistry” at NAP.edu [Internet]. [cited 2018 Oct 17]. Available from: https://www.nap.edu/read/4886/chapter/4
- The Nobel Prize in Chemistry 1998 [Internet]. NobelPrize.org. [cited 2018 Oct 19]. Available from: https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1998/summary/
- The Nobel Prize in Chemistry 2013 [Internet]. NobelPrize.org. [cited 2018 Oct 19]. Available from: https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2013/press-release/
