arvutuskeemiat

Arvutuskeemia ehk arvutuslik keemia on keemia haru, mis kasutab arvutisimulatsioone keemiliste nähtuste uurimiseks ja sageli ka prognoosimiseks. See ühendab keemia teadmised matemaatikaga ja informaatikaga, et modelleerida molekulide struktuuri, reaktsioonimehhanisme ning füüsikalisi omadusi. Ajalugu: 1960‑ndatel tekkisid esimese põlvkonna ab initio kvantkeemiat ning molekulaarmehhaanika ja molekulaarnägemise arvutused levisid, 1990‑ndatel populariseeriti tihti densiteedi funktori teooriat (DFT), mis võimaldas suuremaid süsteeme ja suuremat täpsust. Alates 2000‑ndatest kasutatakse arvutuskeemiat laialdaselt nii teadus- kui ka tööstuslikus kontekstis.

Meetodid: kvantkeemilised arvutused hõlmavad Hartree–Focki ja post‑HF meetodeid ning sageli DFT‑d; semi‑empiirilised meetodid pakuvad kõrgemat kiirust madalama täpsusega. Molekulaarmehhaanika ja molekulaarne dünaamika (MM/MD) kirjeldavad suuremahulisi süsteeme klassikalise potentsiaaliga. QM/MM‑hübriidrõhud ühendavad aktiivse kvantkeemia ja suuremate mallide klassikalise mehhaanika. Sul on ka Monte Carlo meetodeid ning termodünaamilisi ja spectroskoopilisi ennustusi.

Rakendused: struktuuri ja stabiilsuse ennustamine, reaktsioonimehhanismide ja energiaprofiilide hindamine, spektroskoopiliste omaduste prognoosimine, ravimite ja materjalide disain ning katalüüsi ja nanomaterjalide uuringud.

Tööriistad: levinumad tarkvarapaketid hõlmavad Gaussian, ORCA, GAMESS, NWChem ja PSI4; molekulaarmehhaanika jaoks AMBER, GROMACS, CHARMM ja LAMMPS; samuti CP2K ja QM/MM vahendid.

Piirangud ja väljakutsed: tasakaal täpsuse ja arvutusliku ressursi vahel, solvatatsiooni ja keskkonna modellimine ning tulemuste tõlgendamine; andmehaldus ja reprodutseeritavus on keskseteks küsimusteks. Väljavaade on jätkuv tarkvara areng, suurem paralleelsus ja üha tihedam koostöö eksperimentaalsete andmetega ning masinõppe integreerimine.