Сторінка
2

Комп'ютерна підтримка курсу хімії

Модель - це прообраз, опис або зображення якогось об'єкта.

У моделюванні є два різних шляхи . Модель може бути схожою копією об'єкта , виконаної з іншого матеріалу , в іншому масштабі , з відсутністю ряду деталей. Модель може, однак , відображати реальність більш абстрактно словесним описом у вільній формі , описом , формалізованим за якимись правилами , математичними співвідношеннями і т. д.

Комп'ютерне моделювання - це метод вирішення задачі аналізу або синтезу складної системи на основі використання її комп'ютерної моделі. Суть комп'ютерного моделювання укладена в отриманні кількісних і якісних результатів на основі наявної моделі.

Комп'ютерні моделі звичайно розрізняють за програмним забезпеченням, яке застосовується під час роботи з моделлю. Для обробки комп'ютерних моделей використовуються існуючі програмні додатки (математичні пакети, електронні таблиці, графічні редактори тощо) або розробляються оригінальні програми за допомогою мов програмування (Ваsіс, Раsсаl, Dеlphi, С++ ).

Комп'ютерне моделювання має ряд переваг у порівнянні з іншими підходами. Зокрема, воно дає можливість враховувати велику кількість змінних, передбачати розвиток нелінійних процесів, виникнення синергетичних ефектів. Комп'ютерне моделювання дозволяє не тільки отримати прогноз, але і визначити, які дії, що управляють приведуть до найбільш сприятливому розвитку подій.

Якісні висновки, зроблені за результатами комп'ютерного моделювання, дозволяють виявити такі властивості складної системи, як її структуру, динаміку розвитку, стійкість, цілісність та ін. Кількісні висновки в основному носять характер прогнозу деяких майбутніх чи пояснення минулих значень змінних, що характеризують систему. Одне з основних напрямів використання комп'ютерного моделювання - пошук оптимальних варіантів зовнішнього впливу на об'єкт з метою отримання найвищих показників його функціонування.

Комп'ютерне моделювання як новий метод наукових досліджень ґрунтується на побудові математичних моделей для опису досліджуваних процесів ; використанні новітніх обчислювальних машин , що володіють високою швидкодією (мільйони операцій в секунду) і здатних вести діалог з людиною.

Суть комп'ютерного моделювання полягає в наступному: на основі математичної моделі за допомогою ЕОМ проводиться серія обчислювальних експериментів , тобто досліджуються властивості об'єктів або процесів, знаходяться їхні оптимальні параметри і режими роботи , уточнюється модель. Наприклад , розташовуючи рівнянням , що описує перебіг того чи іншого процесу , можна змінюючи його коефіцієнти , початкові і граничні умови , досліджувати , як при цьому буде вести себе об'єкт.

Використання моделювання в хімії

На думку більшості видатних хіміків, у тому числі лауреата нобелівської премії Р. Сиборга, теоретичне моделювання є основним методом пізнання в хімії. Сутність хімічних явищ прихована від безпосереднього спостереження дослідника, тому пізнання здійснюють шляхом побудови моделі невидимого об'єкта за непрямими даними.

Хімія - наука експериментальна. Всі результати досліджень будови і реакцій речовин повинні перевірятися на досвіді з наступними рекомендаціями до практичного використання. Моделювання властивостей та реакційної здатності хімічних сполук - складова частина загальної стратегії досліджень, роль якої стає все більш активною. Основні причини визначаються успіхами розвитку теоретичних уявлень про будову речовин і фантастичними досягненнями комп'ютерних технологій.

Можна виділити наступні напрямки моделювання властивостей і динаміки молекул, результати якого досягають рівня точності, порівнянного з точністю сучасного експерименту. Насамперед, це розрахунки будови і спектрів окремих молекул і міжмолекулярних комплексів методами квантової хімії та теоретичної молекулярної спектроскопії. В даний час можна робити досить надійні прогнози для молекулярних систем з числом атомів до 100 і навіть більше.

Серед найважливіших досягнень квантово-хімічних розрахунків молекулярних систем виділимо можливість побудови поверхонь потенційної енергії . Для завдань структурної хімії, як правило, достатньо обмежитися аналізом основного електронного стану, для моделювання хімічної кінетики часто необхідна також інформація про потенційних поверхнях збуджених електронних станів. Одержувані з подібних розрахунків потенціали взаємодії хімічних частинок потрібні для таких важливих прийомів моделювання в хімії, як методи молекулярної механіки, молекулярної динаміки. Число атомів в системі, властивості якої моделюють подібним чином за допомогою суперкомп'ютерів, досягає гігантських розмірів - мова вже йде про мільйони частинок. Розвиток чисельних методів розв'язання рівнянь теорії багатьох частинок дозволяє моделювати і прогнозувати властивості твердих тіл, рідин, розчинів, розраховувати характеристики процесів на поверхнях, оцінювати параметри молекулярних систем, впроваджених в порожнині каркасних сполук, інертні чи реакційні матриці, здійснювати моделювання в матеріалознавстві.

Молекулярне моделювання (ММ) - збірна назва методів дослідження структури і властивостей молекул обчислювальними методами з наступною візуалізацією результатів, що забезпечують їх тривимірне представлення при заданих в розрахунку умовах. Методи молекулярного моделювання використовуються в комп'ютерній хімії, обчислювальної біології і науках про матеріали для вивчення індивідуальних молекул, так і взаємодії в молекулярних системах. Розрахунки найпростіших систем при молекулярному моделюванні можуть бути виконані вручну, але із-за великого обсягу обчислень при молекулярному моделюванні скільки-небудь складних систем, особливо при дослідженні молекулярної динаміки, використовуються комп'ютерні методи розрахунку і візуалізації, ця техніка отримала назву комп'ютерного молекулярного моделювання (англ. computer-assisted molecular modeling, CAMM).

В лабораторії молекулярного моделювання та спектроскопії LMMS.GEOKHI.RU була розвинена теорія і методи розрахунків рівнів енергії і ймовірностей переходів між ними для всіх видів внутрішніх рухів атомів у молекулах, полімерах і кристалах, включаючи внутрішні обертання і переміщення атомних груп. Що дало можливість легко оперувати з молекулярними моделями з дуже великою різноманітністю введених параметрів і легко переходити від одного представлення до іншого. Важливо, що запропоновані обчислювальні алгоритми дозволяють для полімерів і кристалів працювати не тільки з нескінченно протяжними системами, але і з нанооб'єктами кінцевих розмірів, вивчати поверхневі явища і т.д. Це утворює базу для вирішення багатьох завдань, пов'язаних зі створенням сучасних нанопристроїв і розвитком нанотехнологій.

Програми комп'ютерного моделювання білкових молекул на основі результатів кристалографії дозволяють отримувати наочні тривимірні зображення досліджуваних об'єктів, і по-новому осмислити дані експериментальних досліджень кінетико-термодинамічних властивостей ряду ферментів, отримані за останнє десятиліття, а, отже, виявити додаткові аспекти молекулярних механізмів ферментативного перетворення субстрату. У зв'язку з цим метою даної роботи є аналіз топології амілолітичних ферментів з використанням програми MolScript за даних рентгеноструктурного аналізу.