شیمی محاسباتی: مقدمه و کاربرد

یک باور غلط!

اغلب کسانی که قصد ورود به رشته‌ی شیمی را دارند بر این باورند که در این رشته نیازی به دانش ریاضیات و کامپیوتر ندارند؛ این باور در دانشجویان کارشناسی شیمی نیز وجود دارد چراکه در این مقطع آنچنان با ریاضیات و کامپیوتر سر و کار ندارندو بر اساس تقویم آموزشی وزارت علوم در حوزه‌ی ریاضیات تنها ریاضیات یک و دو و در حوزه‌ی کامپیوتر تنها مبانی کامپیوتر را فرامی‌گیرند. دانشجویان مقاطع ارشد و دکتری که در مقطع شیمی فیزیک و یا شیمی دارویی فعالیت می‌کنند به خوبی به اهمیت این دو حوزه واقف‌اند.

مقدمه‌ای بر علوم محاسباتی

در این مقاله آموزشی قصد داریم تا این باور غلط را در رابطه با کاربرد ریاضیات و کامپیوتر در شیمی اصلاح کنیم و به بررسی رشته‌ی جنجالی، جدید و پرکاربرد شیمی محاسباتی (Computational Chemistry) بپردازیم.

پیش از ورود به بحث شیمی محاسباتی لازم است تا آشنایی جزئی با رشته‌ی علوم محاسباتی (Computational Science) داشته باشیم. بی‌شک با درک اهمیت رشته‌ی علوم محاسباتی، پی به کاربرد و اهمیت آن در علم شیمی خواهیم برد. انجام یک تحقیق پژوهشی به طور کلی شامل سه مرحله می‌‎باشد:

1. علم مشاهده

2. علم عملی

3. علم نظری

در بعضی پژوهش‌ها ایجاد حلقه‌ی ارتباطی بین سه مرحله‌ی فوق مشکلاتی را برای محققان ایجاد می‌کند. چراکه برای انجام برخی پژوهش‌های نظری نیاز به محاسبات پیچیده، رسم دیاگرام و اشکال پیچیده ریاضیات می‌باشد و محققان بدون استفاده از تجهیزات کامپیوتری پیشرفته‌ی منطبق بر قوانین علمی قادر به انجام پروژه خود نخواهد بود.

از این رو با توجه به خلا پیش آمده، درحدود 50 سال پیش رشته‌ای با عنوان علوم محاسباتی به برنامه‌ی آموزشی دانشگاه‌ها اضافه شد. با استفاده از قابلیت‌های این رشته، محققان می‌توانند به 1- حل معادلات پیچیده ریاضیاتی و علمی، 2- انجام چندین محاسبه به صورت همزمان، 3- توسعه و حل فرمول‌های علمی و همچنین 4- اثبات فرمول‌های علمی خود بپردازند. متخصصان علوم محاسباتی به کمک الگوریتم (علوم ریاضیات) و معماری (علوم کامپیوتر) اقدام به توسعه‌ سیستم‌های پردازشی برای یافتن پاسخ مناسب برای حل مسائل علمی با استفاده از قوانین تئوری می‌کنند.

شیمی محاسباتی

دو رشته‌ی شیمی و فیزیک جزو علومی هستند که مبانی‌ آن‌ها را فرمول‌ها، نظریه‌ها و قوانین تشکیل می‌دهند. برای توسعه‌ی طرح‌های پژوهشی پژوهشگران می‌بایست برروی فرمول‌های موجود، محاسبات ریاضیاتی را بر مبنای هدف تحقیقات خود انجام دهند؛ و یا فرمول جدید خود را در پژوهش به اثبات برسانند که این امر نیز نیازمند محاسبات ریاضیاتی سنگین می‌باشد. ازاین‌رو برای انجام اینگونه پژوهش‌ها شیمیدانان تنها با کمک پژوهشگران حوزه‌ی محاسباتی می‌توانند پژوهش خود را به سرانجام برسانند.

متخصصان علوم محاسباتی با توجه به نیازها و کمبود‌های موجود در رشته‌ی شیمی و همچنین مبانی رشته‌ی علوم محاسباتی اقدام به تعریف رشته‌ی شیمی محاسباتی پرداختند.

از شیمی محاسباتی می‌توان در حل معادله‌ها و فرایند‌های شیمیایی در جهت پیش‎بینی اهداف مورد نظر بهره برد. سه دانشمند پس از تحقیقات گسترده خود در علوم محاسباتی موفق شدند تا برای اولین بینش جدیدی از کاربرد رشته‌ی شیمی محاسباتی را به پژوهشگران ارائه کنند.

مقاله‌ی فوق بخشی از سلسه مباحث شیمی محاسباتی از وبسایت آموزشی " یک آموزگار " بود که علاقه‌مندان می‌توانند برای مطالعه‌ی مقاله‌ی فوق از لینک زیر استفاده نمایند. همچنین در ادامه قصد داریم تا این مبحث آموزشی را تکمیل کرده و در حد توان دانش خود را به دانش‌جویان عرضه نماییم.