قدرت علم نوین شیمی محاسباتی

به طور معمول در یک آزمایشگاه تحقیقاتی شیمی یا مواد، محققین با مقادیری به اندازه صدم تا هزارم مول سروکار دارند. اگر حتی فرض کنیم تجهیزاتی در آزمایشگاههای معمول شیمی داشته باشیم که قادر باشد در گستره نانومول نیز واکنش را ردیابی کند، باز تعداد مولکولهای موجود در واکنش بسیار بالا است (از مرتبه ۱۰ به توان ۱۴). اگر بتوان رفتار دقیق این تعداد مولکول را مدل کرد، آنگاه میتوان پیشگویی دقیق (و نه فقط پیشبینی) راجع به رفتار توده ماده یا حتی واکنش شیمیایی داشت. اما واقعیت این است که مطالعه دقیق (کوانتومی) این تعداد ذره با امکانات جدید تقریبا ناممکن است. تلاشهای بسیاری شده است تا بتوان حداقل پیشبینی های مناسبی در زمینه فوق داشت. بعضی از این تلاشها، اراده روشی به نام شبیه سازی کامپیوتری است تا به کمک آن بتوان سامانه ها با تعداد اتمهای زیاد را مطالعه کرد. در این روش (که خود به دو دسته شبیه سازی مونت کارلو و دینامیک مولکولی تقسیم بندی میشود) به جای مطالعه ذرات با اصول کوانتومی، از اصول کلاسیکی استفاده میشود. طبیعی است که استفاده از دیدگاه کلاسیک به جای کوانتوم خود باعث ایجاد خطا در نتایج خواهد شد. گروهی دیگر نیز به جای محدود کردن دقت محاسبه، سعی کرده اند (همانند آنچه که ذکر گردید) قدر محاسبات سامانه های محاسباتی را با گسترده کردن کلاسترهای محاسباتی افزایش دهند. افراد دیگری نیز سعی کرده اند با در هم آمیختن قدرت فیزیک کوانتوم و فیزیک کلاسیک (در روشهایی به نام QM-MM یا ONIOM) دقت محاسبات را نسبت به کلاسیک محض افزایش دهند. اما آیا این تکنیکها همراه با سامانه های پرهزینه توانسته است در تبدیل پیشبینی به پیشگویی در زمینه شیمی به ما کمک کنند؟

برای پاسخ به پرسش بالا، چند مورد از مقالاتی که محققین با استفاده از کامپیوتر توانسته اند پیشبینی های کاملا مناسبی در زمینه شیمی انجام دهند را مرور میکنیم.

یکی از موضوعاتی که در سالهای اخیر مورد توجه محققین بوده است، تولید باطریهایی است که چگالی انرژی بالایی داشته باشند، به طوری که با وزن کم، قابلیت برق دهی بالایی داشته باشند. امروزه به دلیل توسعه فناوریهای دیجیتالی، این نوع باطریها بازار بسیار خوبی خواهند داشت. شاید بتوان گفت مهمترین موضوع در طراحی این نوع باطریها، یافتن ترکیباتی با چگالی انرژی بالا باشد. امروزه با استفاده از جادوی شیمی محاسباتی، ابتدا قابلیت ترکیبات مختلف برای استفاده در باطریها با برقدهی بالا پیشبینی میشود و سپس در آزمایشگاه مورد استفاده قرار میگیرند. به عنوان مثال، لوو و همکارانش بر اساس محاسباتی که Das و همکارانش روی لیتیم اکسید انجام داده بودند، موفق شدند با استفاده از کاتد گرافنی، نوعی باطری لیتیم-اکسیژن با چگالی انرژی بالا طراحی نمایند. به عبارت دیگر، ایده کار از محاسبات Das و همکارانش گرفته شده است که با محاسبات نشان دادند که لیتیم اکسید طول عمر ماندگاری بالایی دارد. از دیگر موضوعات روز دنیا، تولید برق از نور خورشید است. در این زمینه تلاشهای بسیاری صورت گرفته است تا نیمه هادی مورد استفاده دارای گاف انرژی در محدوده نور مرئی باشد. یکی از جدیدترین طراحیهای صورت گرفته، پیشنهاد ترکیب KBNNO است. ایده اولیه این ترکیب نیز به وسیله جادوگران شیمی (شیمی محاسباتی) مطرح شده است. در واقع Bennett و همکارانش برای اولین بار با استفاده از شیمی محاسباتی نشان دادند که چگونه میتوان با دوپ کردن نیکل Ni در PbTiO₃ گاف انرژی را مهندسی کرد. گرینبرگ (Grinberg) و همکارانش با این ایده، ترکیب KBNNO را طوری طراحی کردند که هم ماده مورد نظر فروالکتریک باشد و هم گاف انرژی مهندسی شده ای را داشته باشد.

موارد مطرح شده تنها دو مورد از قدرت بسیار بالای شیمی محاسباتی در طراحی مواد جدید است. لازم به ذکر است که برای افزایش دقت نتایج شیمی محاسباتی نیاز است از نظریه های جدید دینامیک کوانتومی استفاده شود که آن نیز مستلزم استفاده از پردازشگرهای فوق العاده قوی است. با بررسی موارد ذکر شده، اینک میتوان درک کرد که چرا کشورهای پیشرفته دنیا بر سر ساخت خوشه های بزرگ محاسباتی با هزینه هاس هنگفت مسابقه میدهند. آری، این خوشه های محاسباتی نقش همان جادوگرانی را دارند که برای اربابان خویش قدرتی وصف ناپذیر به همراه خواهند داشت.