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【2013诺贝尔奖特别报导】化学奖:将实验带入网际空间

点赞:851 时间:2019-05-22 阅读量:817

【2013諾貝爾獎特別報導】化學獎:將實驗帶入網際空間


化学反应以闪电的速度进行着;电子在原子核间跳跃,闪避着化学家们虎视眈眈的双眼。2013年的诺贝尔化学桂冠得主们利用电脑,让化学的神祕路径得以现形。对于化学运作的细部暸解,使得催化剂、药物以及太阳能电池的最佳化变得更有效率。

全世界的许多化学家几乎每天在电脑上设计以及执行实验,透过马丁˙卡普拉斯(Martin Karplus)、麦可˙李维特(Michael Levitt)以及艾瑞˙瓦歇尔(Arieh Warshel)于1970年代所发展的方法,化学家们检视着用肉眼无法看到的複杂化学过程之中的每一个小小的步骤。

爲了让读者感受到人类如何因此而受惠,让我们用一个例子来开头。请穿上你的实验衣,因为我们要给你一个挑战:创造人工光合作用。这个在绿叶中进行的化学反应,让大气充填了氧气,也是地球上有生命存在的必要条件之一。但是从环境的角度来看,这是很有意义的,因为如果你能够模拟光合作用,就能创造更有效率的太阳能电池。当水分解时会产生氧气,但随伴产生的氢气则可以用于驱动我们的车辆。因此你有十足充分的理由参与这个计画,假若你成功了,对解决温室效应的问题,你也会有所贡献。

一张图超过千言万语 — 但并非全部

【2013诺贝尔奖特别报导】化学奖:将实验带入网际空间

图一 现在的化学家在电脑上做实验几乎与在实验室做实验一般频繁,从电脑上得到的计算结果经由真实的实验得到证实后,让我们对原子的世界如何运作得到新的线索。此可谓理论与实践相辅相成。

做为第一步,你应该会上网去找寻那些控制光合作用的蛋白质的三维结构图像。这些图像均可从网路裏自由的取得,你可将图像在电脑上随意旋转和扭曲,它揭露了巨大的蛋白质分子裏数以万计的原子。在其中心某处,有一个小小的区域,被称为反应中心,这就是水分子被裂解的地方。不过只有几个原子是直接参与这个反应的,图像很清楚的显示了原子与离子相互坐落的位置,但却无法说出这些原子与离子如何运作,这就是你需要搞清楚的。不知如何的,电子必须从水分子中取出,另有四个质子(H+)必须处理,这到底如何发生呢?

这个过程用传统的化学方法基本上是无法弄清楚的,有太多的事情发生在一个毫秒(10-3秒)之内 – 这种速度排除了用试管实验来研究之可能。从你的电脑图像也仍然很难猜测反应的过程,因为图像是在静态取得的,然而当太阳照射在绿叶上时,那些蛋白质充满了能量而整个分子的结构改变了。为了了解这个化学反应,你需要知道充填了能量的分子结构是什幺样子。

这就是需要召唤电脑程式来帮助你的时刻,而这些电脑程式就是基于2013年的诺贝尔化学奖得主们所奠定的基石。

理论与实践 — 一个成功的相辅相成

利用这种电脑程式,你可以计算各种可能的反应路径,这被称为模拟(simulation or modeling),此法让你对那些原子在化学反应的不同阶段扮演的角色有些概念,而当你有一个可能的反应路径时,会较容易执行真实的实验来证实电脑的对错,这些实验反过来提供了新的线索以导致更好的电脑模拟结果;理论与实践达到相辅相成的效果。结果是,化学家们花在电脑前面的时间,与花在试管之间的时间几乎一样多!

那幺这次诺贝尔化学奖得主们发展的电脑程式,到底有何神奇之处呢?

将两个世界最好的整合起来

过去,当科学家们要在电脑上模拟分子时,他们拥有的程式不是基于古典牛顿物理,就是基于量子物理,二者各有其长处与短处。基于古典物理的程式能计算与处理大的化学分子,它们只能显示静态的分子,但是给予化学家们关于分子内的原子的相对位置很好的图像,可是你无法用这些程式去模拟化学反应。在化学反应时,分子是充满能量的,处在激发的状态,古典物理就是无法理解这些状态,而这就成为一个严重的限制。

【2013诺贝尔奖特别报导】化学奖:将实验带入网际空间

图二 牛顿与薛丁格的猫:从前,古典物理与量子化学分属两个相互对抗的世界,2013年的诺贝尔化学奖得主们替这两个世界打开了一扇大门,带来了畅旺的合作。

当科学家们要模拟化学反应时,他们需要转而求助量子物理;其二元理论(dualistic theory)将电子视为同时具有粒子与波动的双重性质,其中着名的薛丁格的猫,藏在盒中,可能是活的也可能是死的。量子物理的强项在于它是没有偏见的,其模型不包括科学家们的预测,因此这样的模拟较为真实。但其缺点在于计算需要耗费庞大的电脑资源,因为电脑需要处理分子中的每一个电子以及原子核。这就好像一张数位图像的像素(pixel)数目,像素愈多解析度愈佳,但是需要较多的电脑空间。类似的,透过量子物理的计算,虽然可以描绘化学反应中的详细过程,但是需要强大的电脑。在1970年代,这意味着科学家们只能对小分子进行计算。在模拟时,他们被迫忽略分子与週遭环境的作用,虽然真实世界中的化学反应大都在某些溶液中进行,但是假若科学家们计算时,要电脑将溶剂也一併考虑的话,他们将需要等待个几十年才能得到结果。

所以古典物理与量子化学是两个本质上不同,而且在某些方面相互冲突的世界。但是2013年的诺贝尔化学奖得主们,替这两个世界打开了一扇大门,在他们的模型理,牛顿与他的苹果,跟薛丁格和他的猫合作。

量子化学与古典物理合作

在1970年代,在美国剑桥哈佛大学卡普拉斯的实验室里,开展了合作的第一步。卡普拉斯具有深厚的量子背景,他的研究小组发展的电脑程式,藉着量子物理的帮助可以模拟化学反应。他也发展了所谓的“卡普拉斯方程式”应用于核磁共振(NMR),那是一个化学家熟知的方法,乃基于分子的量子化学性质所建立的。当瓦歇尔完成他的博士学位后,在1970年进入了卡普拉斯的实验室。他的博士学位是在以色列Rehovot的Weismann科学研究院所获得的,该研究院拥有一台能力强大的电脑,被称为Golem,那是取自犹太传说中的一位有生命的泥人的名字。透过Golem的帮助,瓦歇尔与李维特基于古典理论,发展了一个突破性的电脑程式,此程式能够模拟各种分子,甚至于真正很大的生物分子。

当瓦歇尔加入卡普拉斯在哈佛大学的研究小组时,带着他那古典的电脑程式,以这个程式为起点,他与卡普拉斯发展了一个新的程式,以不同的方式计算不同的电子。在大部分的分子中,每一个电子绕着特定的原子核运行,但是在某些分子中,某些电子可以毫无阻碍的在数个原子核间移动,这些“自由电子”可以存在于像是视网醛(retinal)这个分子中,此分子是嵌在眼睛的视网膜上。卡普拉斯对于视网醛有着长期的兴趣,因为这个分子的量子化学性质影响了某些生物的功能;当光照射在视网膜上,视网醛的自由电子就会得到能量,因此改变了分子的形状,这是人类视觉的第一步。

最后卡普拉斯与瓦歇尔终于能够处理视网醛,不过他们是从具有简单结构的类似分子开始的。他们发展了一个电脑程式,运用量子物理来处理自由电子的计算,但是用简单的古典理论来处理其它的电子以及所有的原子核。在1972年,他们发表了研究结果,这乃是第一次有人能够透过古典与量子物理的合作来处理化学相关的问题,但是此法仅能处理具有镜面对称性的分子(像人一般有一面镜子在身体正中央而左右对映)。

一个万用程式来计算生命的化学

在哈佛大学待了两年之后,瓦歇尔又与李维特合作。此时李维特已经完成了英国剑桥大学的博士训练,正值全球尖端的研究都在于探讨像是DNA、RNA以及蛋白质这类的生物分子,他企图用他的古典电脑程式来对生物分子的结构做进一步的了解,然而限制仍然存在,仅能观察静态的分子。

李维特与瓦歇尔瞄準了一个很高的目标,他们想要发展一个程式用来研究酵素;也就是生命活体中控制与催化化学反应的许多蛋白质。早在瓦歇尔还是一位年轻的学生时,他就对于酵素如何运作很好奇。透过酵素间的相互合作,生命才可能存在,它们控制了基本上所有生命体内的各种化学,如果你想要了解生命,你就必须了解酵素。

爲了能够模拟酵素的反应,李维特与瓦歇尔必须让古典与量子物理的合作更为顺畅,这花了他们许多年去克服各种障碍。他们的探索始于Weismann科学研究院,但是当李维特在数年后完成了他的博士后研究的训练,他回到了剑桥,在那里瓦歇尔也来加入。在1976年,他们达成了目标并发表了第一个酵素反应的电脑模拟,他们的程式是革命性的,因为它可以用在各种分子上,在模拟化学反应时,大小已经不成问题。

聚焦于运作的心脏

现在当化学家模拟化学反应时,他们需要时就会运用这种力量。他们对每一个直接影响化学过程的电子与原子核,进行吃力的量子物理计算,这样,他们取得关键所在儘可能最佳的解析,分子其它的部份则用古典的方程式来模拟。

爲了不浪费电脑的能力,李维特与瓦歇尔将计算的负载进一步修减,电脑不需要一直处理分子中不重要部分的每一个原子,他们展示了可以将多个原子合併计算。

现在的计算中,科学家还在模拟时加入了第三个层次。简单的来说,电脑可将离化学反应中心很远的原子们包裹在一起,成为一个均匀的质体,在科学圈内,这被称为介电介质(dielectric medium)。

【2013诺贝尔奖特别报导】化学奖:将实验带入网际空间

图三 现今化学家们模拟分子的运作时,若有需要就会运用电脑的力量。量子物理的计算成为了此一系统的核心,其外则是基于古典物理的处理,而在最外层的原子和分子则视为聚集在一起的一团均匀物质,这种简化的方式,让我们能用计算来处理那些巨大的化学体系。

模拟将带我们进展至多远决定在未来

因为现今的科学家可以用电脑来进行实验,这让我们对化学反应如何的进行得到了更深的理解。卡普拉斯、李维特以及瓦歇尔发展的方法的强度在于它们是万用的,它们可以用来研究各种化学;从生命的分子到工业上的化学反应,科学家可以将太阳能电池、汽车用的催化剂或甚至于药物最佳化,而这仅是举几个例子而已。

不过进展不会停在那里,在李维特的一篇论文中,写到了他的梦想:在分子的层次模拟生命体,那真是个极为诱人的想法。由2013年的诺贝尔化学奖得主们发展的电脑模拟,是极为有力的工具,到底它可将我们的知识推进到多远,只有未来才能决定。

参考资料

●本文译自诺贝尔化学奖委员会公布给大众的新闻稿,原文可自以下官方网站取得:

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/popular-chemistryprize2013.pdf

●若有兴趣阅读进阶的资料,请由下列网址取得:

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/advanced-chemistryprize2013.pdf

●特别感谢现于美国德州农工大学攻读博士的曹一允(蔡蕴明教授2008年的专题生)热血相挺,将本文之图片中文化。

●本文完稿于2013年10月10日,欢迎转载,但务必引述上述网址,特别感谢蔡蕴明教授提供译稿。

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