Molekyylitasolla

Molekyylitasolla tarkoittaa ilmiöitä ja rakenteita, joita selitetään atomien ja molekyylien vuorovaikutusten sekä näiden liikkeiden avulla. Tason keskeisiä tekijöitä ovat kemialliset sidokset (kovalenttiset, ioniset), sekä heikommat vuorovaikutukset kuten van der Waals -voimat ja vetysidokset. Tämän tason ymmärrys on keskeistä sekä kemiassa että biologiassa ja materiaalitieteessä, koska makroskooppiset ominaisuudet kuten reaktiokyky, jäykkyys ja liikemekaniikka ovat seurausta molekyylien rakenteesta ja dynamiikasta.

Mittausta ja simulointia käytetään yhdessä. Kokeellisia menetelmiä kuten X-ray kristallografia, ydinmagneettinen resonanssi (NMR), IR-spektroskopia ja massaspektrometria paljastavat rakenteen ja dynamiikan, kun taas elektronimikroskopia voi tarjota yksittäisten molekyylien kuvia joissain tapauksissa. Teoreettisesti molekyylitasoa tutkitaan kvanttiteoreettisilla laskelmilla (ab initio, tiheysfunktionaaliteoria) sekä simulaatioilla kuten molekyylidynamiikalla (MD) ja Monte Carlo -menetelmillä, jotka kuvat elektronijakaumaa tai atomi- liikkeen tilastollista käyttäytymistä.

Ymmärrys molekyylitasolla mahdollistaa lääkkeiden suunnittelun, katalyyttisten prosessien tehostamisen sekä uusien materiaalien ja nanoteknologioiden kehittämisen. Esimerkkejä ovat proteiinien rakenteen ymmärtäminen ja entsymaattiset reaktiot sekä molekyylien vuorovaikutusten vaikutus farmakokinetiikkaan. Rakenteiden ja vuorovaikutusten tuntemus johtaa parempiin ennusteisiin makroskooppisista ominaisuuksista kuten sulamispiste, viskositeetti ja lämmönjohtavuus.

Lyhyesti, molekyylitasolla tutkimus yhdistää kokeelliset havainnot ja teoreettiset mallit antaen ymmärryksen aineen käyttäytymisestä ja mahdollistaa suunnittelun useille sovellusalueille.