2013年4月1日

堆疊計算化學

上網搜尋「化學」,除了實驗室的標準配備外,最讓人印象深刻的莫過於由各式各樣、五顏六色的球、棒組成的結構。在電腦不發達時,這樣的結構是科學家在可行的分析、推算和試驗下,自行拿著結構模型拼湊、堆疊而成。還記得華生、克里克那張與DNA結構合影的照片嗎?他們身旁的DNA結構模型就是很好的範例。現在有了電腦的幫助,這些結構上的各種距離、長度、角度等複雜數值,都可以交由軟體計算,數值經過精密分析,還能直接模擬出可能的結構。以往拼湊、堆疊化學分子結構的任務由電腦接手,開啟了「計算化學」新時代。

計算化學有如化學家的積木堆疊遊戲,他們在電腦軟體的計算下,將結構一一堆疊出來,再進一步去研究這些「模型」(第260頁)。經過改良的計算化學與分子模擬軟體,發展出簡單易懂的圖型介面操作平台,讓這些軟體不再是科學家的專利,一般民眾只要上網下載免費的自由軟體,就能一窺堂奧(的265頁)。而需要專業分析的科學家,則使用更為複雜的高階計算化學軟體,不同的軟體在速度、穩定度、應用性等方面的性質各異,選擇合適的軟體就等於事半功倍(的280頁)。

透過這些軟體,科學家不只是得到一個結構,也能提供分子與分子作用過程的線索。在計算化學軟體的協助下,研究人員能模擬觸媒材料的催化反應路徑,再根據需求改良出更實用的觸媒(第269頁)。

還記得上一期的封面故事「新藥開發」嗎?在開發過程中藥物分子的設計和標靶的選定,都是關鍵的步驟,也相當耗時。經由高效能計算的協助,像是多了許多警力支援的專案小組,大規模的搜捕「嫌犯」,以期更快速地找到「兇手」,為藥物設計的繁雜過程減輕了一點負擔(第274頁)。

轉換一下心情,我們從電腦上許多高階的計算化學軟體,移到春意漸暖的戶外,來看看我們熟悉的淡水河,哪位老友回來看我們了?自開港至今,造成的污染與破壞,讓我們痛失許多水生物種。近期洄游性的香魚再度現身了!是否代表我們的復育行動有了新的進展了呢(第293頁)?

另外,曾經或正在受青春痘所苦的讀者,可能很關心如何消除臉上的「紅豆冰」。當你嘗試過各式的A酸、杜鵑花酸、抗生素,還不見效果,或許你可以期待,我們聞之色變的病毒,成為新的治療之方(第304頁)。

各種研究領域中,知識累積的過程都像是疊積木,一塊塊的拼湊出完整模型。計算化學的進展幫助化學家模擬「分子模型」,其他領域則各有其方法,「疊」出不同的發現,而科月就成了這些「新模型」的展示舞台。(趙軒翎)

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