分子模擬
廣義的分子模擬包括了所有的計算化學方法,可大致分為量子化學計算、分子動態模擬(molecular dynamics simulation, MD)、蒙地卡羅(Monte Carlo, MC)模擬3種常見模擬類型。在一般文獻中,分子模擬方法是指後二種。
量子化學計算 為了描述分子的結構及對應能量,需要了解其組成原子與電子之間的交互作用。量子力學是統合了波動與粒子二元特性,以矩陣力學或波動力學描述基本粒子(如電子)的運動,最著名的就是薛丁格波動方程式。
由於量子化學計算僅需基本常數,如電子電量、普朗克常數、基本粒子質量等,因此也稱作「第一原理計算」(ab initio calculation),它的結果可用來驗證實驗結果或提出預測。薛丁格方程式可以於最簡單的氫原子系統中求得精確的解析解,但在多原子系統中,由於繁複的電子∕原子核交互作用,計算過程費時並需大量的計算資源,僅能以數值方法求得近似解。
而後Hohengerg、Kohn等人提出以系統電子密度分布計算系統基態能量,進而衍生出密度泛函理論(density functional theory, DFT)來描述電子密度分布。由於電子密度的描述大幅簡化了變數量的計算,加上描述電子密度的基底函數的準確性提升,使DFT可以在一定的精確度下,較快速地計算分子能量,是現今量子化學計算應用最多的方法之一。
儘管近年電腦運算能力大幅提升,量子化學計算仍僅能處理100~1,000個原子數目的系統,遠小於實驗系統的需求,特別是複雜的凝態系統,以及大型生物分子如蛋白質、核酸分子等。然而在材料科學、觸媒催化等奈米尺度的研究上,量子化學計算已是重要的研究工具之一。目前量子化學計算常用於計算電子軌域結構與能階、分子結構、分子光譜預測、化學反應機制與反應速率、分子熱力學性質的預測等。 |