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- 2013年
- 528期－諾貝爾獎特別報導（12月號）
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2013-12-01虛擬實境的化學實驗與研究創新之理論實踐
528 期
Author 作者
楊小青／任教輔仁大學化學系。
瑞典皇家科學院將2013年諾貝爾化學桂冠授予了三位學者，他們分別是：美國哈佛大學（Harvard University）和法國史特拉斯堡大學（Université de Strasbourg）的馬丁．卡普拉斯（Martin Karplus）教授、美國史丹佛（Stanford University）醫學院的麥可．萊維特（Michael Levitt）教授，和美國南加州大學（University of Southern California）的艾瑞．瓦歇爾（Arieh Warshel）教授。三位教授因發展電腦模型演算法理解和預測複雜化學過程的方法，使化學家們得以檢視著用肉眼無法看到的複雜化學過程，寫下理論化學史上重要的一頁——終結了古典與量子的百年恩怨情仇，從逕渭分明到化敵為友，也得以實現化學家的駭客任務——虛擬實境的化學實驗，加速再生綠能光合作用以及藥物的開發，他山之石，可以攻玉。筆者以自身專業領域知識介紹其發展史以及如何運用多尺度電腦模擬在分子、原子、次原子的層次模擬生命體並開啟另一扇門——實驗與理論之互補實踐。
化學家的駭客任務—虛擬實境的化學實驗
人類文明的發展離不開知識與技術進步，重大知識技術革命使科學文明發展呈現出階段性的特徵。秦始皇長生不老藥煉丹術抑或西洋賢者之石（Philosopher's stone）鍊金術，是亙古化學迷人亦見難以捉摸之處，近代科學得以理解化學反應發生在閃電般的速度，但科學家難以窺探其中所涉及的電子原子核之間的移轉。如今以發展多尺度理論與電腦模擬演算程序，揭露複雜化學系統反應的神秘方程，憑藉著虛擬實境，人類得以一窺化學反應發生的每一小小步。
發展電腦化學模擬所奠定的基礎，讓科學家能夠模擬運算化學系統的詳細動態結構、運動路徑與反應過程，進而理解複雜生物系統的化學過程，這些過程舉凡如綠色植物的光合作用以及藥物的開發，並成為可以優化催化劑、藥物和太陽能電池的基石。
利用這種電腦演算程序與模型，你可以計算各種可能的系統結構與可能涉及的反應路徑，這種研究調查方式我們稱之為模擬（simulation or modeling）。透過這樣的方式，可以讓化學家對所觀測的原子在化學反應的不同階段扮演的角色更有概念與想法，達到「見所未見」（To See the Unseen），甚至得以建立理論模型並執行真實的實驗來驗證模型的正確性與否，而這些實證實驗反過來提供了新的線索，提供更好的電腦模擬條件與結果；理論與實踐達到相輔相成的效果。所以，現代化學家們花在電腦前面的時間，與花在試管之間的時間幾乎相當！
自1960年代以來，電腦開始應用於化學領域，用於計算各類分子性質，範圍從一個分子的穩定性，至對其反應性的探討等。然而，其實有相當長的一段時間，電腦化學計算僅能處理簡單小分子體系，直到90年代以後，電腦計算能力和演算法逐步趕上了理論發展，大型的計算應用始可運用於蛋白質、藥物設計及材料上。這樣的轉變，主要來自於卡普拉斯、萊維特和瓦歇爾的貢獻。三位學者專注於開發並應用相關理論技術，從量子力學計算結合古典物理和半經驗法，並基於實證資料，類比大量不同分子性質。此外，他們還促使相關計算軟體於群眾運用的普及化。在1998年，量子力學密度泛函理論和第一原理理論已獲頒諾貝爾獎，此獎榮譽將計算化學帶至更廣的領域應用。而另一方面，古典分子動力學（Molecular Dynamics, MD）模擬技術開發，試圖類比像生命複雜實體蛋白質的吸引力和排斥力，及帶電的原子和分子之間的靜電計算及真實運動，相關工作從不間斷的默默耕耘著。……【更多內容請閱讀科學月刊第528期】