2013年4月1日

化學的樂高遊戲—計算化學與分子模擬的自由軟體

由於個人電腦的功能不斷的增強,只要稍具化學知識的人,都可以輕易的設計複雜的理論計算模型,並且能夠以多樣的視覺效果來提升學生在修習化學的興趣。

作者/程長遠(任教國立鹿港高中)

2012年7月24日至28日第五十二屆全國科展在彰化師範大學盛大舉行,筆者服務的學校鹿港高中配合科學教育博覽會,設立一個「化學樂高」的闖關遊戲。五天的展覽期間,發現無論中外男女老少都非常喜歡這個遊戲,每天攤位前總是人山人海圍著服務學生, 研究如何組合富勒烯(fullerene),又稱巴克球。

遊戲其實非常簡單,利用簡單的球( 碳原子) 和棒( 化學鍵),像堆積木一樣組合高對稱的C20、C60、C180、C240,甚至奈米碳管(nanotube) 等。因為富勒烯的鍵結單純,型式多變,高對稱的富勒烯模樣也好看,可以吸引來賓的好奇,因此選擇富勒烯做為遊戲的基本模型。

大會期間許多有興趣的中小學老師和家長,總是詢問我們的原子模型哪裡買的?我則告訴他們可以利用個人電腦加上簡單的計算化學軟體,一樣可以達到堆積分子模型的樂趣。不過大家對計算化學的認識,似乎還停留在當年需要設計複雜的理論計算、高階的電腦工作站還有昂貴的計算模擬軟體上。

其實計算化學 ( Computatinal Chemistry)是近二十年發展的最快的化學研究領域。計算化學是根據基本的物理和化學理論,以大量的數值運算方式來探討化學系統的性質,利用已有的電腦程序和方法對特定的化學問題進行研究。由於理論化學家和理論物理學家在計算方法和電腦程序的開發上的長足進步,計算化學已被廣泛應用在預測合成實驗的條件、解釋反應現象和研究化學反應機制之上。

一般理論計算化學的領域之中,依計算分子結構的精密程度共分為三種層級: 全始算(ab initio)、半經驗法則(Semiempirical) 和分子力學(Molecular mechanics)。當然無論精密層級如何,其中都涉及許多複雜的數學運算,但由於許多科學家和電腦工程師在軟體上的開發,使得只要略懂一般化學基本知識的應用者,經由簡單的訓練,也能輕易使用這些化學計算軟體。

拜電腦科技之賜,近十幾年來許多可在Windows 作業系統下運作的計算化學軟體陸續出現,功能也不斷的增強,加上圖形介面的發展與整合,大大的簡化輸入的方式和計算結果的解讀。稍具化學知識的人,都可以像在科學教育博覽會會場組球棒模型一樣,輕易的設計複雜的理論計算模型,並且能夠以簡單、直接和多樣的視覺效果來分析計算所得的結果,模擬出化學分子的外觀與性質。最重要的是,這些軟體很多都是免費的,而且歡迎大家自由下載使用。所以在此介紹一些可以在個人電腦上使用的計算化學與分子模擬的自由軟體,提供有興趣的中學老師在教學上參考使用,以提升學生在修習化學的興趣。【更詳細的內容,請參閱第520期科學月刊】

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