解讀2013諾貝爾化學獎：化學反應搬進計算機

■馮麗妃 甘曉 王靜 潘希

對於今天的化學家來説，計算機和試管已經變得同樣重要。經過理論化學家不斷創新，計算機已經能夠逼真地模擬出複雜的化學分子模型，進而預測出化學實驗的最終結果。

10月9日，諾貝爾獎委員會將2013年度諾貝爾化學獎頒發給美國科學家馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特及亞利耶·瓦謝爾，表彰他們在“發展多尺度模型研究複雜化學體系”上的貢獻。這距離諾貝爾獎上一次頒發給理論化學中的密度泛函理論和量子化學計算方法已時隔15年。

“分而治之”描述化學反應

化學反應是一個微觀過程，許多化學反應的發生可能只需要幾微秒。因此，傳統上用實驗手段描述出反應過程的每一個步驟幾乎不可能實現。而此次獲獎的三位科學家使計算機成為了化學反應的新“試管”。

中國科學院大學化工學院教授汪志祥向《中國科學報》記者解釋：“比如，生命體中的核糖從無規則的多肽鏈發展到穩定的蛋白質結構所耗時間在微秒級。如掃描這一過程，耗費的時間將是天文數字，這是傳統研究的難點。”

“早在上世紀70年代，瓦謝爾從理論上提出，可以用計算機模擬、以量子力學和分子力學結合的方式描述化學過程。而在卡普拉斯之後，這一理論得到廣泛的應用。”北京師範大學化學學院教授方維海對《中國科學報》記者説，“三位科學家在理論方法和應用上的貢獻能夠幫助科學家從微觀尺度上理解化學過程的本質。”

“量子力學的描述小而精，分子力學的描述大但精度不高。如果都用高精度的方法來描述化學過程，計算將難以進行，所以，多尺度組合的方法便成了最好的選擇。”方維海説，“這與中國古代‘分而治之’的哲學思想類似。”

開創化學研究新局面

中科院化學所研究員史強對《中國科學報》記者説：“三位科學家建立了基於量子力學、經典力學以及混合量子—經典力學的理論模型，通過計算機模擬的方法來研究蛋白質分子的運動和酶催化反應機理。”

史強認為，他們的工作在發展分子動力學模擬方法，研究複雜化學體系的運動規律方面完成了開創性的工作。

北京大學化學與分子工程學院高毅勤則指出，化學是一門實驗性的學科，三位科學家提出的模型對化學的定量化研究以及化學理論研究和實驗研究有非常重要的指導作用。同時，該模型還被應用於計算化學、生物化學、生物物理學以及物理學與應用數學，是典型的跨學科成果。

因此，高毅勤向《中國科學報》記者表示：“三位獲獎者的研究對化學學科的推進、化學與生物學科交叉發展都發揮了相當大的作用，具有里程碑式的意義。”

國內研究前景看好

方維海介紹，儘管國內該領域的研究起步較晚，但2000年以後，隨着國家科研實力增強，這一領域研究已經取得長足進步。

去年9月，方維海課題組便採用高精度的量子化學計算對螢火蟲發光機理進行了進一步探索，提出了漸進可逆電荷轉移引發熒光的新機理，首次在電子態的水平闡明瞭螢火蟲生物發光的化學起源。

2002年至2004年，高毅勤在哈佛大學做博士後期間，師從此次獲獎的卡普拉斯。在高毅勤看來，國內分子模擬相關研究發展方興未艾，也正在進行方法性創新。“我看好國內分子模擬發展前景。”他向記者表示。

高毅勤課題組致力於用理論與計算方法研究生物分子的溶液構象、生物酶催化機制和化學反應中的溶劑化效應。他們成功地預言了一系列蛋白質多肽鏈摺疊機制和其中的共溶劑效應。

“計算機模擬還將被廣泛應用於計算機輔助藥物設計，具有節省時間和成本等優點。”汪志祥告訴記者。