Компьютерлік химия

Жоспар:

I.Кіріспе

II.Кванттық химия

III.Жасанды химиялық интеллект

IV.Компьютерлік химияның болашағы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Кіріспе

             Бүгінгі таңда біз нақты ғылымдарда болып жатқан революцияның куәгерлері болып отырмыз.  Бұл революция ғылымдардың барлық салаларында: эксперементалды да, теориялық та салаларына компьютерлердің енуімен байланысты.  Бұл үрдіс соңғы он жылдарда  ерекше үдемелі өтіп жатыр. Себебі тез әсер ететін компьютерлердің өндірісі ұлғайды және барлық дерлік зерттеушілердің күшті компьютерлермен жұмыс істеу мүмкіндігі ұлғайды. Нақты ғылымдарға компьютерлерді енгізудің маңызды нәтижесі – осы ғылымдарда жаңа бағыттардың пайда болуы. Осылайша физикада эксперемнталды және теориялық физика мен қатар жаңа компьютерлік физика, ал химияда компьютерлік химия пайда болды.  Егер соңғы кездерге дейін білім алудың екі әдісі болса – не эксперимент қою арқылы ,не теорияны қуру арқылы, бүгін жаңа компьютерді қолданатын үшінші әдістің пайда болуы туралы айтуға болады.

           Компьютерлік химия пәні компьютерді қолдана отырып, газтектес,  сұйық, қатты фазадағы молекулалар, атомдар, радикалдар, иондардың физикалық және химиялық қасиеттерін зерттеумен айналысады.  Қазіргі кезде бұл мәселелерді компьютер көмегімен шешудің тәжірибесі бар. 

Кванттық  химия

            Компьютерлік кванттық химия компьютерлік химияның ең көп дамыған тармағы болып табылады. Кванттық химиктер оө зерттеу жұмыстарында компьютерлерді алғаш қолданғандардың бірі болды.  Соған орай, қазіргі кезде кванттық химиктер програмисттердің жоғары квалификациясына ие болып отыр, ал квантты – химиялы программалар ғылыми – техникалық  программалардің ядерлі физика программалар, ғарыш аппараттарының траекторияларын есептеуге арналған программаларымен бір қатарда тұратын ең қиындарының бірі болып табылады.

            Шредигер теңдеуі 50 жылдан астам уақыт белгілі болғанымен , аналитикалық тұрғыда бұл теңдеуді тек ең қарапайым жағдайлар үшін: сутегі атомы мен Н₂ молекулалық ионы ушін жазуға мумкін  болды. Сол себептен кванттық химияда  компьютерлерді қолданудың қажеттігі туды.  Квантты – химиялық есептеулердегі жетістігі Шредингер теңдеуін шешу кезінде бір қатар жуықтауларды қолданумен байланысты.  Соған қарамастан, күрделілігі жоғары атомдар мен молекулалар үшін алынатын жуықталған теңдеулерді тек компьютер көмегімен шешуге болады.  Кванттық химияда мейлінше жуйелі  эмпирикалық емес ( немесе ab initio) әдістер болып табылады.  Бұл терминді атомдар мен молекулалар үшін Шредингер теңдеуінің шешімінің жуықталған  әдістерінің жынтығы деп түсінуге болады. «ab initio» латын термині «басынан бастап» дегенді білдіреді.  «ab initio» барлық тілдерде бұл есептеу әдістерін белгілеу үшін кең қолданыс тапты, себебі ab initio әдістері тек фундаменталды физикалық тұрақтылардан ( жарық жылдамдығы, Планк тұрақтысы, ядролар мен электрондардың массалары мен зарядтары ) басқа ешқандай қосымша эксперименталды берілгендерді  ( иондалу потенциалы, атомдалу энергиясы, т.б. ) қажет етпейді және физикалық тұрғыдан ақталған жуықтауларды енгізу арқылы Шредингер теңдеуінің негізінде алынған. 

Жасанды химиялық интеллект

                Компьютерлерді кең қолдануға байланысты компьютер адаммен дәстүрлі  түрде интеллектуалды болып саналған салаларда бәсекеге түсе алады деген ой пайда болды.  Химияда «жасанды химиялық интелекттің» пайда болуы туралы айтуға болатн екі саласын бөлуге болады.  Біріншіден бұл эксперименталды спектроскопиялық берілгендердің негізінде молекуланың құрылымын айқындаумен байланысты мәселелер.  Екіншіден күрделі органикалық молекулалардың  синтезі  стратегиясын әзірлеу мәселелері.   Химияның дамуы, әсіресе молекулалық структураны зерттеудің физкалық әдістерін қолдану соңғы он жылда  ақпараттық жарылысқа әкеліп соқты.  Қосылыстың синтезін жасау  бұл қосылысты идентификациялаудан гөрі әлдеқайда жеңіл болып тұрады.  Жаңа қосылысты идентификацмялаудың күрделі проблемасын шешудің жолдарының бірі  - химиялық қосылыстың спектрін әдебиетте белгілі мәндерімен салыстыру арқылы танып білу болып табылады. Бірақ, әлемде 100 мыңнан астам органикалық және бейорганикалық қосылыстардың спектрлері  туралы ақпараттар жиналған және бұл ақпараттың саны күннен күнге өсіп жатыр.  Сондықтан бұндай салыстыруларды эффективті түрде тек компьютер жасай алады.  Химиялық қосылыстарды танып білудің атластық компьютерлік  жуйелері  Коптюгпен әзірленіп қойған. 

                Бағыттардың бірі керекті қосылысты синтездеудің мумкін жолдарын жақсы зерттелген органикалық реакциялардың негізінде анықтауға негізделген.  Сәйкес программалар бірнеше лабораторияларда әзірленген.

                Басқа бағыт формальді – логикалық көзқарасқа негізделген. Бұл көзқарас негізінде валенттіліктің классикалық теориясы жатыр және ол реакцияны байланыстардың молекулааралық және молеулаішілік қайта бөлініп топтасу ретінде қарастырады.  Бұл әдістің артықшылығы –белгілі реакциялар арасында тура аналогтары жоқ процесстерді компьютер көмегімен генералдауға мүмкіндік береді.

                Компьютердің адам миының алдындағы артықшылығы – ақпараттаррдың ауқымды көлемін  есте сақтай отырып, онымен өте тез жұмыс істей білуінде. 

Компьютерлік  химияның дамуының болашағы

                Бір ғана шолу кезінде химия, физика, математика және есептеуіш техникасының қиылысуында пайда болған жаңа ғылым – компьютерлік химияның барлық тарауларына тоқтап кету мүмкін емес. Осылай, жоғарыда қарастырылған мысалдардан басқа компьютерлік химияның қолдануының маңызды аумақтары :компьютер көмегімен химиялық технологияларды оптимизациялау мәселелері, элементарлы химиялық проестердің теориясындағы динамикалық мәселелерді шешу.  Осыдан , химиктердің  компьютерлерге қолжетімділігі артқан сайын компьютерлік химияның жаңа тармақтары  пайда бола бастайды.

                Компьютерлік химияның дамуы есептегіш техниканың  жетістіктерімен анықталады.   Қазіргі кездің өзінде секундына 100-200  миллион операция жасау тезәрекеттігіне ие суперкомпьютерлер бар, ал 90 жылдардың аяғына қарай секундына 1 – 10 миллиард операция жасау тезәркеттігіне ие суперкомпьютерлер жасау жоспарлануда .  Бірдей уақытта компьютерлердің оперативті жадының көлемімен қатар сыртқы тасымалдаушылар сыйымдылығы артып келе жатыр.

              Осы жаңа мумкіншіліктерді қолдану компьютерлік химияның принципиалды жаңа проблемаларын шешуге,ал әзірленіп қойған есептеулердің дәлділік деңгейін көтеруге  және қолдану аймағын кеңейтуге мүмкіндік береді.

              Кванттық химияда – молекулалардағы релятивистік эффекттердің есебі, электронды корреляцияны есепке алғанда үлкен жуйелердің есебі;  сонымен қатар белгілі бір химиялық қосылыстың синтезін жасау алдында химикке  сол қосылыстың энергетикалық тұрақтылығын және молекулалар қасиеттерін  теориялық тұрғыдан оқып, білуге мүмкіндік беретін диалогты программалардың пайда болуын күтуге болады.  Ерітінділер теориясында есептеуіш техниканың жетіліп тұруымен супермолекулярлы көзқарас үлкен органикалық молекулаларға да тән болады.  Молекулярлы дизайн жұмыстарында дәрілік молекулалардың улкен көлемін қарастыруға болатын болады және активті центрлерлің бөлінуі кезінде бұл молекулалардың ондаған параметрлерін есепке алу арқылы жаңа препараттардың активтілігі туралы болжамдарының сенімділігін арттыруға болады.   «Жасанды химиялық интелект» жұмыстарында  ақпарат банктері он мыңдаған рекцияларға дейін кеңейіп,әзірленіп жатқан синтез жолдарының эффективтігін жоғарылатуға болады;  молекулалардың құрылысын танып білу есептерінде  ақпарат банктеріндегі спектрлердің көбеюі жаңа қосылыстар идентификациясының сенімділігін арттырады.  Бүгінгі таңда химияның дамуын компьютерлерсіз елестету мүмкін емес! 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Әл – Фараби атындағы Қазақ Ұлттық Университетінің  «Химия және химиялық технология факультеті» 

Реферат

Тақырыбы:Компьютерлік химия 
 
 
 

Орындаған:Айткалиева А. А.

Тексерген:Қалабаева  М. Қ. 
 
 
 
 
 
 

Алматы, 2011