“เมื่อฉันเห็นโมเลกุลที่โปรแกรมคอมพิวเตอร์ทำนาย มันทำให้ฉันมีแรงบันดาลใจ” Bao ผู้ซึ่งกำลังสร้างวัสดุใหม่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความยืดหยุ่นทุกประเภท ตั้งแต่เซลล์แสงอาทิตย์ไปจนถึงผิวหนังอิเล็กทรอนิกส์สำหรับหุ่นยนต์หรืออวัยวะเทียม กล่าว “คุณมีโมเลกุลเป็นล้าน ตามด้วยสองสามพัน แล้วก็ไม่กี่ร้อย เมื่อคุณไปถึงน้อยกว่า 10 นักเคมีจะพิจารณาสร้างมันขึ้นมาในทางปฏิบัติ” บ่าวควรรู้ ในฐานะนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุที่สร้างสิ่งต่างๆ ในห้องแล็บ เธอกล่าวว่ายังคงต้องใช้เวลาหนึ่งปีในการสังเคราะห์และทดสอบโมเลกุลที่เป็นตัวเลือกที่ดูดีบนกระดาษ “การออกแบบตามทฤษฎีนี้ช่วยลดเวลาในการค้นพบได้จริง” เธอกล่าว
พฤติกรรมของอิเล็กตรอน
เมื่อนักเคมีกำลังมองหาโมเลกุลที่มีประสิทธิภาพดีกว่า พวกเขามักจะเริ่มต้นด้วยบางสิ่งที่ได้ผล จากนั้น “ทำการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในโครงสร้างทางเคมี” Bao กล่าว วิธีการแบบคลาสสิกนี้ ซึ่งมักจะเกี่ยวข้องกับการวาดเส้นของโครงสร้างโมเลกุล อาศัยประสบการณ์และสัญชาตญาณของนักเคมี แต่ในบางแง่มุม การใช้จุดและเส้นบนหน้าสมุดบันทึกเพื่อทำความเข้าใจว่าโมเลกุลทำงานอย่างไร ก็เหมือนกับการใช้แท่งไม้เพื่อชื่นชมสรีรวิทยาของมนุษย์ วิธีการนี้รวมเอาความเป็นจริงเพียงเล็กน้อยเพื่อเป็นแนวทางในกระบวนการลองผิดลองถูกที่ใช้เวลานานและมีราคาแพง
สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ หน่วยที่เกิดซ้ำในโพลีเมอร์อาจมีอะตอม 40 ถึง 60 อะตอม Bao กล่าว “ถ้าคุณจัดเรียงอะตอมใหม่เพียงอะตอมเดียว คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์สามารถเปลี่ยนแปลงได้ การที่โมเลกุลจัดเรียงตัวในอวกาศอาจเปลี่ยนแปลงได้” โดยเฉพาะอย่างยิ่งวัสดุไฟฟ้าโซลาร์เซลล์เป็นสัตว์ที่มีความซับซ้อน เนื่องจากมีคุณสมบัติมากมายที่สำคัญ “คุณต้องรู้เกี่ยวกับการดูดกลืนแสง การแยกประจุ การขนส่งอิเล็กตรอน และการรวมประจุใหม่ มันซับซ้อนกว่านั้นมาก และไม่มีทฤษฎีใดที่จับภาพทั้งหมดได้อย่างแม่นยำ”
การแสดงอะตอมที่มีอิเล็กตรอนเป็นดาวเคราะห์ที่โคจรอยู่เป็นโรงเรียนเก่า
ไดอะแกรมของเมฆอิเล็กตรอนสามารถจับภาพธรรมชาติของควอนตัมของอะตอมได้ดีกว่า
REICH-CHEMISTRY.WIKISPACES.COM/(CC BY-SA 3.0)
การลองผิดลองถูกทั้งหมดนั้นไม่จำเป็นหากนักวิทยาศาสตร์สามารถแก้สมการของชโรดิงเงอร์ได้ สมการดังกล่าวตีพิมพ์ในปี 1926 กำหนดฟังก์ชันคลื่นกลควอนตัมหรือ Ψ ซึ่งสรุปข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับคุณสมบัติของโมเลกุล คุณสมบัติเหล่านั้นจะกำหนด ตัวอย่างเช่น เอนไซม์จะจับโปรตีนอย่างไร หรือวัสดุสะท้อนแสงหรือไม่ สมการของชโรดิงเงอร์มีคำศัพท์ทางคณิตศาสตร์เพียงไม่กี่คำ แต่ความเรียบง่ายบนกระดาษปฏิเสธความพยายามในการคำนวณที่จำเป็นในการแก้สมการ ในช่วงปลายทศวรรษ 1920 นักฟิสิกส์ได้ค้นพบวิธีแก้รหัสที่คลุมเครือสำหรับระบบที่เรียบง่ายจริงๆ เช่น อะตอมของไฮโดรเจน แต่เครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่จำเป็นในการแก้ปัญหาสำหรับระบบที่ซับซ้อนกว่านั้นยังไม่มีอยู่จริง
นักฟิสิกส์ Paul Dirac เขียนในปี 1929 ว่า “กฎฟิสิกส์พื้นฐานที่จำเป็นสำหรับทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ของส่วนใหญ่ของฟิสิกส์และเคมีทั้งหมดจึงเป็นที่รู้กันดีอยู่แล้ว” ซับซ้อนเกินกว่าจะละลายได้”
โยฮันเนส ฮัคมันน์ นักเคมีเชิงทฤษฎีแห่งมหาวิทยาลัยบัฟฟาโล อดีตแพทย์หลังปริญญาเอกในห้องปฏิบัติการของ Aspuru-Guzik กล่าว โดยหลักการแล้ว Hachmann กล่าวว่าสมการของชโรดิงเงอร์เปิดเผยข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับโมเลกุลใดๆ ในความเป็นจริง “เราทำได้เฉพาะกับโมเลกุลขนาดเล็กมากที่ไม่มีใครสนใจ” เขากล่าว
ดังนั้นนักเคมีและนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจึงได้พัฒนาทางเลือกทางคณิตศาสตร์ที่หาคำตอบโดยประมาณแทนที่จะเป็นสมการของชโรดิงเงอร์ ในช่วงทศวรรษที่ 1930 นักวิทยาศาสตร์ได้จัดทำแผนที่สูตรทั่วไปบางสูตรสำหรับการประมาณดังกล่าว (โดยพื้นฐานแล้ว “ทฤษฎีฟังก์ชันคลื่นสนามเฉลี่ย” “ทฤษฎีฟังก์ชันคลื่นที่สัมพันธ์กัน” และ “ทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น”) ด้วยการถือกำเนิดของคอมพิวเตอร์ นักวิทยาศาสตร์ได้นำทฤษฎีเหล่านี้ไปปฏิบัติ การปรับแต่งเพิ่มเติมสำหรับคณิตศาสตร์ช่วยปรับปรุงความแม่นยำและลดต้นทุนในการคำนวณของวิธีการเหล่านี้
วิธีแก้ปัญหาแบบง่ายเหล่านี้ไม่สมบูรณ์แบบ “ยิ่งคุณทำการประมาณมากเท่าไหร่ คุณก็จะยิ่งตัดสมการของชโรดิงเงอร์มากขึ้นเท่านั้น” Hachmann กล่าว “มันง่ายกว่านี้ แต่คุณก็สูญเสียข้อมูลไปด้วย คุณเริ่มทิ้งฟิสิกส์ไปมากมาย”
แต่การประมาณนี้เป็นวิธีที่จะละทิ้งวิธีการทดลองและข้อผิดพลาดที่เพิ่มขึ้นสำหรับวิธีที่มีเหตุผลและมีประสิทธิภาพมากกว่า โดยอิงตาม “หลักการแรก” ของฟิสิกส์ เพื่อกำหนดคุณสมบัติของโมเลกุล ทุกวันนี้ นักวิทยาศาสตร์กำลังคำนวณเคมีควอนตัมที่ไม่ทิ้งเด็กที่เป็นสุภาษิตด้วยคณิตศาสตร์ ชุดซอฟต์แวร์และเครื่องมือเคมีควอนตัมหลายชุดสามารถเคี้ยวผ่านการคำนวณสำหรับโมเลกุลทุกประเภท นักวิทยาศาสตร์กำลังใช้มันเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของยารักษาโรคข้ออักเสบและความยืดหยุ่นของวัสดุ เป็นต้น
การคำนวณจำนวนมากเหล่านี้ใช้เวลาหลายชั่วโมงต่อวันสำหรับโมเลกุลเดียว ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์บางคนจึงพึ่งพาสิ่งอำนวยความสะดวกที่ทันสมัย เช่น ซูเปอร์คอมพิวเตอร์และการประมวลผลแบบขนานเพื่อทำงานภายในกรอบเวลาที่เป็นไปได้ โครงการMaterialsซึ่งนำโดยนักวิทยาศาสตร์ที่ Lawrence Berkeley และ MIT กำลังดำเนินการคำนวณควอนตัมสำหรับสารประกอบอนินทรีย์หลายหมื่นชนิดโดยใช้ศูนย์คอมพิวเตอร์วิทยาศาสตร์เพื่อการวิจัยพลังงานแห่งชาติ ซึ่งเป็นที่ตั้งของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดในโลก นักวิทยาศาสตร์ที่ใช้ฐานข้อมูลโครงการ Materials ได้ค้นพบวัสดุนำไฟฟ้าโปร่งใสชนิดใหม่ที่อาจนำไปใช้ในหน้าจอสัมผัสได้ อื่น ๆ กำลังมองหาสารประกอบที่เป็นตัวเลือกสำหรับเซมิคอนดักเตอร์และแบตเตอรี่
credit : superverygood.com stephysweetbakes.com titanschronicle.com seminariodeportividad.com gunsun8575.com mafio-weed.com pimentacomdende.com nextdayshippingpharmacy.com proextendernextday.com sweetdivascakes.com
