כימיה חישובית

ענף של כימיה

הכימיה החישובית מיישמת את המודלים המתמטיים והפיזיקליים לתיאור תהליכים ומצבים כימיים,[1] שפותחו במסגרת הכימיה התאורטית, בתוכנות מחשב שנועדו לפתור במהירות ובדייקנות בעיות שאין אפשרות לפותרן באמצעות חישוב ידני.

אורביטלים מולקולריים של מים

לדוגמה, תוכנות מסוג זה מאפשרות לחשב את המבנה ואת התכונות של מולקולות בודדות, של קבוצות מולקולות ושל מוצקים ואת ההיתכנות והיעילות של תגובות כימיות.[2] תוצאות החישובים משלימות את הידע המושג באמצעות ניסויים כימיים ולעיתים משמשות בסיס לניבוי תופעות שלא נצפו בפועל.[3] כימיה חישובית נמצאת בשימוש רב בתכנון תרופות וחומרים חדשים.

הכימיה החישובית משתמשת באלגוריתמים המבוססים על חוקי טבע בסיסיים ומוכחים (ab initio), במכניקת הקוונטית ובקבועים פיזיקליים בסיסיים, או באלגוריתמים המבוססים על שיטות אמפיריות ואמפיריות למחצה. שתי שיטות אלה עושות שימוש באומדנים. התוצאות המתקבלות נעות בין מקורבות לבין מדויקות ביותר, כתלות במורכבות המערכת הנחקרת.

התפתחות התחום

עריכה

הרצת תוכנות מסוג זה דורשת משאבי מחשב רבים כגון כוח חישובי, זיכרון ושטחי אחסון, לכן הכימיה החישובית התפתחה במקביל להתפתחות טכנולוגיות המחשב.

הודות להתייעלות טכנולוגיות המחשוב, בשנות ה-50 של המאה ה-20 התאפשר חישוב אמפירי למחצה של אורביטלים אטומיים.

בשנת 1964, התאפשר חישוב אנרגיה של אורביטלים מולקולריים על פי שיטת הקירוב של היקל.

בתחילת שנות ה-70 של המאה ה-20 נכתבו תוכנות מחשב יעילות כגון ATMOL, IBMOL, GAUSSIAN ו- POLYATOM לצורך חישוב אורביטלים מולקולריים.

האזכור הראשון של המונח "כימיה חישובית" הופיע בספרם של סידני פרנבך ואברהם הסקל טאוב "Computers and Their Role in the Physical Sciences"."[4] כתב העת "Journal of Computational Chemistry" פורסם בשנת 1980.

פרסי נובל לכימיה הוענקו לוולטר קוהן וג'ון פופל בשנת 1988 עבור עבודתם בנושא "שיטות חישוביות במכניקת הקוונטים" ולמרטין קרפלוס, מיכאל לויט ואריה ורשל בשנת 2013 על "פיתוח מודלים מרובי-סקאלות להבנת מערכות כימיות מורכבות".

יישום הכימיה החישובית

עריכה

הכימיה החישובית מסייעת לכימאי הניסיוני ב:

  • מציאת נקודת התחלה לסינתזה מעבדתית ומתן הסבר לנתוני ניסוי
  • ניבוי קיום מולקולות או מבנים מולקולריים לא ידועים, או מנגנוני תגובות שעדיין לא נחקרו בניסויי מעבדה[5]
  • זיהוי הקשר בין המבנה הכימי לתכונות החומרים
  • תכנון מולקולות המגיבות בדרך ספציפית עם מולקולות אחרות, לדוגמה תכנון תרופות, מעכבים[6] וזרזים.

ראו גם

עריכה

קישורים חיצוניים

עריכה

הערות שוליים

עריכה
  1. ^ Fouad Sabry, ננורובוטיקה: אספקת תרופות חכמה באמצעות מערכות מיקרו וננו רובוטיות ביו-היברידיות, One Billion Knowledgeable, 2022-12-17. (באנגלית)
  2. ^ Israel Science Foundation/הקרן הלאומית למדע, מתעשיית הצבע של המאה ה-18 אל הכימיה של העתיד, באתר isf.org.il
  3. ^ המדעי, מסע הקסם; למדע, מכון ויצמן (2022-02-08). "בראשית היה סבון: על מקור החיים בכדור-הארץ". Ynet. נבדק ב-2023-04-03.
  4. ^ Fernbach, Sidney; Taub, Abraham Haskell (1970). Computers and Their Role in the Physical Sciences. Routledge. ISBN 978-0-677-14030-8.
  5. ^ שירות הידען, מדענים ביבמ פיתחו סוג חדש של פולימרים חזקים בעלי כושר התאוששות עצמית – בעזרת כלי כימיה חישובית, באתר הידען, ‏2014-05-21
  6. ^ מדעני העתיד - החברה הישראלית לכימיה, באתר www.madaney.net