Výpočty a výsledky
Počítačová chemie
Pokrok ve výpočetní technice, zejména prudce rostoucí paměťová kapacita spolu s dostupností kvalitní počítačové grafiky, silně pozvedl v odborných kruzích zájem o počítačovou chemii, obor využívající k řešení chemických a fyzikálně-chemických problémů moderní počítače. Jeho výsledky jsou v dnešní době počítačovými chemiky široce využívány nejen jako užitečná pomoc při interpretaci experimentálně zjištěných dat, ale rovněž jako nástroj při vývoji nových materiálů požadovaných vlastností.
Ukázka Monte Carlo simulace klastru (tzn. shluku) 13 atomů argónu při konstantním objemu a tlaku, kdy dochází ke snižování teploty - klastr krystalizuje (tzn. je nalezeno prostorové uspořádání atomů, při kterém ma klastr minimální energii). Jedná se tedy o metodu simulované žíhání, kterou hledáme konfiguraci klastru s nejnižší energií. Autoři: David Pěgřímek, Miroslav Rapčák
Video znázorňuje Monte Carlo simulaci klastru jedenácti molekul vody s příměsovou molekulou metanu. Simulace probíhá v izobaricko-izotermickém souboru při teplotě 160 K a tlaku 10E7 Pa. Autor: Aleš Vítek, katedra fyziky PřF OU
Nejobecněji lze počítačovou chemii rozdělit na tři následující oblasti:
- předpovídání energeticky nejvýhodnější a proto nejpravděpodobnější molekulární struktury daného materiálu
- hledání vzájemných vztahů mezi strukturou a vlastnostmi molekuly
- schraňování a následné vyhledávání informací v počítačových chemických a materiálových databázích
Struktura zeolitu
Polymerní řetězce polyethylenu
Molekulární modelování
Počítačové molekulární modelování, zvané též molekulární design, zahrnuje první dva body výše uvedeného rozdělení. Řeší převážně složité struktury molekul, komplexů, klastrů, povrchů a krystalů, k čemuž slouží množství specializovaných programů. Podstatou počítačového molekulárního modelování je prostá, avšak zásadní, skutečnost, že všechny důležité vlastnosti molekul, jako je stabilita, reaktivita nebo elektrické vlastnosti, vycházejí z jejich strukturního uspořádání. A pokud umíme vyvinout algoritmy schopné vytvořit molekulární strukturu ze zadaných stechiometrických a vazebných parametrů (první bod využití počítačové chemie) můžeme stejně tak dobře vytvořit algoritmy počítající vlastnosti molekul z předem stanovených struktur (bod druhý). Oním klíčem k pochopení vlastností hmoty tedy nejsou pouze kvality základních stavebních kamenů – atomů. Je to také způsob, jakým jsou atomy mezi sebou propojeny, tedy molekulární struktura.
Molekuly methylenové modři interkalované do mezivrství vrstevnatého silikátu montmorillonitu
Historický vývoj
Chemikové již v 19. stol. věděli o základním prostorovém uspořádání molekul a znali jejich strukturní vzorce, ale nebyli schopni tuto strukturu nijak měřit. Přestože mimo chemických vazeb znali i van der Waalsovy síly, elektrostatické interakce a mnohé další, podrobnější informace o elektronové a molekulární struktuře chyběly. Teprve 20. stol. přineslo významný pokrok. Tím byl nejprve objev nového druhu záření, který učinil Wilhelm Conrad Röntgen. Zásluhou Maxe von Laueho a Williama Henryho Bragga konečně mohlo být pomocí rentgenového záření změřeno rozložení atomů ve studovaných molekulách s potřebnou přesností. Od známých velikostí molekul pak byly odvozeny další vlastnosti krystalů, hodnoty vazebných a torzních úhlů, stejně jako nevazebné interakce. Dalším důležitým objevem byla Schrödingerova rovnice, užívající k popisu atomů kvantovou mechaniku. Rozmanitá řešení této rovnice vyřešila mnoho chemických problémů. Za zmínku stojí i rok 1927, jenž je důležitým datem, neboť tehdy byl uveřejněn první teoretický kvantově mechanický výpočet v oblasti chemie. Jeho autoři, Fritz London a Walter Heitler, spočítali energii vodíkové molekuly. K těmto výpočtům od čtyřicátých let 20. stol. počaly sloužit první počítače, jejichž četnými uživateli byli právě počítačoví chemikové.
Centrum nanotechnologií na VŠB – TU Ostrava
Počítačové modelování těch nejmenších struktur je využíváno v Centru nanotechnologií na VŠB-TU Ostrava. Ve svém výzkumu se Centrum nanotechnologií zaměřuje na dvě hlavní oblasti, ve kterých se počítačové modelování uplatňuje. Jde o vývoj nových lékových forem a o přípravu nanokompozitů. Jako nanokompozity se označují ty materiály, v nichž jsou nanočástice či nanovlákna zabudovány do rozmanitých nosných matric. Centrum nanotechnologií využívá jako matrice různé jílové minerály.