化學的樂高遊戲─計算化學與分子模擬的自由軟體

■科學月刊 ■王伯昌（任教淡江大學化學系） 【封面故事】二十世紀的前30年，建構了量子力學理的基礎，但因大量的繁複計算，在化學的應用上備受限制。近20年來，電腦效能的急速提昇，把以前認為不可能的計算工作，變成現在彈指間可以實現，拓展了量子力學在化學各領域的應用。 量子化學計算工作是以電子本身的動量為中心，輔以相關電子間斥力、電子–原子核間的引力作為修正，得到物質的幾何結構及電子結構，並由此獲得其相關物理及化學性質。當然，因應電腦計算技術的進步，目前已經可處理上萬顆原子的大系統了，未來可望處理更大的系統，使整個模擬過程更近似真實的實驗條件。本專輯的五篇文章，深入淺出的引領讀者漫遊量子奇幻世界，探討量子化學計算的簡單原理、重要的電腦軟體，及其在教學、材料、醫藥及觸媒的應用。 第一篇由陳立基與張金泉博士以積木堆積的概念，簡介物質結構的建構，透過化學計算的幫助，這些結構才能躍動在我們眼前。第二篇程長遠博士則藉由化學樂高遊戲，從高中老師的角度介紹幾種可簡單構築分子的免費化學計算軟體，可讓有興趣體驗化學模擬研究的學子試用。第三、四篇王嘉慶博士與林榮信博士分別針對高效能計算在催化反應與藥物設計的應用，介紹化學計算軟體在這兩大領域的使用情形。最後，王鴻偉博士則敘述量子力學的概念有了電腦計算輔助，如何影響化學計算軟體的發展，並詳盡介紹目前化學與物理界廣泛使用的高階化學計算軟體。 相信本專輯一定會帶給你們無比的樂趣，悠遊於量子化學的奇幻世界。 ■ 程長遠（任教國立鹿港高中） 由於個人電腦的功能不斷增強，只要稍具化學知識的人，都可以輕易的設計複雜的理論計算模型，並且能夠以多樣的視覺效果來提升學生在修習化學的興趣。 2012年7月24日至28日第五十二屆全國科展在彰化師範大學盛大舉行，筆者服務的學校鹿港高中配合科學教育博覽會，設立一個「化學樂高」的闖關遊戲。五天的展覽期間，發現無論中外男女老少都非常喜歡這個遊戲，每天攤位前總是人山人海圍著服務學生，研究如何組合富勒烯，又稱巴克球。 遊戲其實非常簡單，利用簡單的球（碳原子）和棒（化學鍵），像堆積木一樣組合高對稱的C20、C60、C180、C240，甚至奈米碳管等。因為富勒烯的鍵結單純，型式多變，高對稱的富勒烯模樣也好看，可以吸引來賓的好奇，因此選擇富勒烯做為遊戲的基本模型。 大會期間許多有興趣的中小學老師和家長，總是詢問我們的原子模型哪裡買的？我則告訴他們可以利用個人電腦加上簡單的計算化學軟體，一樣可以達到堆積分子模型的樂趣。不過大家對計算化學的認識，似乎還停留在當年需要設計複雜的理論計算、高階的電腦工作站還有昂貴的計算模擬軟體上。 其實計算化學是近二十年發展的最快的化學研究領域。計算化學是根據基本的物理和化學理論，以大量的數值運算方式來探討化學系統的性質，利用已有的電腦程序和方法對特定的化學問題進行研究。由於理論化學家和理論物理學家在計算方法和電腦程序的開發上的長足進步，計算化學已被廣泛應用在預測合成實驗的條件、解釋反應現象和研究化學反應機制之上。 一般理論計算化學的領域之中，依計算分子結構的精密程度共分為三種層級：全始算、半經驗法則和分子力學。當然無論精密層級如何，其中都涉及許多複雜的數學運算，但由於許多科學家和電腦工程師在軟體上的開發，使得只要略懂一般化學基本知識的應用者，經由簡單的訓練，也能輕易使用這些化學計算軟體。（全文見科學月刊2013年4月號封面故事-計算化學） 本版內容由台灣立報與《科學月刊》合作出版 《科學月刊》網址：http://www.scimonth.com.tw/