Introducción a la Química Computacional y Ciencia de Materiales Computacional en Química Aplicada
La química teórica generalmente se refiere al uso de métodos matemáticos para explicar problemas químicos, mientras que la química computacional, como rama de la química teórica, suele referirse específicamente a métodos matemáticos que pueden implementarse mediante programas informáticos. La química computacional no busca la perfección o la precisión porque pocos sistemas químicos pueden calcularse con exactitud. Sin embargo, casi todos los tipos de problemas químicos pueden resolverse y se han resuelto utilizando algoritmos aproximados.
Teóricamente, los cálculos se pueden realizar sobre cualquier molécula utilizando métodos teóricos bastante precisos. Estos métodos precisos también se incluyen en muchos programas de software computacional, pero debido a que el esfuerzo computacional de estos métodos crece exponencialmente o más rápido con el número de electrones, solo se pueden aplicar a moléculas muy pequeñas. Para sistemas más grandes, a menudo se requieren otros métodos más detallados para encontrar un equilibrio entre el esfuerzo computacional y la precisión de los resultados.
La química computacional se centra en aplicar programas y métodos informáticos existentes a problemas químicos específicos. En cambio, el desarrollo de algoritmos y programas informáticos lo realizan químicos y físicos teóricos. La química computacional generalmente se enfoca en resolver los dos problemas siguientes al estudiar propiedades atómicas y moleculares, rutas de reacciones químicas y otros problemas:
Predecir las condiciones iniciales para experimentos de síntesis
Estudiar reacciones químicas, mecanismos y explicar los fenómenos de reacción
Las subdisciplinas de la química computacional incluyen:
Informática, química y bioquímica:
Representación informática de átomos y moléculas
Almacenamiento y búsqueda de datos de información química asistidos por ordenador (ver bases de datos químicas)
Estudio de la relación entre estructura y propiedades químicas (ver relaciones cuantitativas estructura-efecto (QSAR) y relaciones cuantitativas estructura-actividad (ver QSPR) ))
Aclaración teórica de estructuras químicas basada en fuerzas simuladas
Síntesis de compuestos asistida por ordenador
Diseño molecular de propiedades asistido por ordenador (p. ej., elucidación teórica de estructuras químicas basadas en diseño molecular asistido por ordenador)
Investigación sobre la relación entre estructura química y propiedades (ver relación estructura-efecto cuantitativa (QSAR) y relación estructura-actividad cuantitativa (QSPRg.,
Acerca del Grupo de Innovación en Química Teórica y Computacional:
La química teórica y computacional juega un papel importante en la investigación básica y aplicada y es una parte importante de la física, la ciencia de los materiales, la química y las ciencias de la vida. importante herramienta para la investigación Con la ayuda de computadoras de alto rendimiento, los químicos teóricos pueden obtener información detallada sobre la estructura y la dinámica de sistemas de moléculas pequeñas a partir de primeros principios sin recurrir a ningún parámetro empírico. Esta información no solo puede corroborarse directamente con experimentos. Pero también la química teórica también puede analizar y explicar fenómenos experimentales desde una perspectiva microscópica. También puede obtener información cualitativa o semicuantitativa sobre su estructura y dinámica mediante la simulación por computadora de sistemas macromoleculares biológicos de hasta 100.000 átomos, proporcionando así una base para la explicación. actividades de la vida. Proporcionar datos clave para el desarrollo de nuevos fármacos.
Las principales direcciones de investigación del grupo de investigación incluyen la investigación básica y la investigación aplicada relacionada con la dinámica de reacciones cuánticas, la espectroscopia molecular y la química cuántica. :
1) Teoría cinética de reacciones cuánticas, algoritmos y procedimientos de cálculo de sistemas poliatómicos
2) Teoría química cuántica y métodos de cálculo; Teoría de la química cuántica y métodos de cálculo;
3) Estudio teórico de superficies de energía potencial y espectros moleculares de interacciones débiles entre moléculas;
4) Construcción de superficies de energía potencial para sistemas poliatómicos.
La investigación de este grupo de investigación también incluye el uso de métodos de simulación de dinámica molecular y mecánica cuántica para estudiar la dinámica y el mecanismo de reacción de moléculas de proteínas:
1) La interacción entre moléculas de fármacos y macromoléculas biológicas Función;
2) Mecanismo de reacción catalizada por enzimas
3) Fullereno y su interacción con macromoléculas biológicas.
La ciencia de materiales computacional (CMS) es una materia interdisciplinaria de la ciencia de los materiales y la informática. Es una disciplina emergente en rápido desarrollo que estudia la composición, la estructura, el rendimiento y el rendimiento del servicio de los materiales. y el diseño es el "experimento informático" en la investigación de la ciencia de los materiales. Se trata de materiales, física, informática, matemáticas, química y otras disciplinas. La ciencia de materiales computacionales incluye principalmente dos aspectos: uno es la simulación computacional, es decir, a partir de datos experimentales, simulando el proceso real mediante el establecimiento de modelos matemáticos y cálculos numéricos, el otro es el diseño computacional de materiales, es decir, directamente a través de modelos teóricos y cálculos; , Predecir o diseñar la estructura y propiedades de los materiales. El primero permite que la investigación de materiales ya no se detenga en resultados experimentales y discusiones cualitativas, sino que eleva los resultados experimentales de sistemas materiales específicos a teorías cuantitativas generales. El segundo hace que la investigación y el desarrollo de materiales sean más direccionales y con visión de futuro, y es propicio. a la innovación original y puede mejorar en gran medida la eficiencia de la investigación. Por lo tanto, la ciencia computacional de los materiales es un puente que conecta la teoría y la experimentación de la ciencia de los materiales.
La composición, la estructura, el rendimiento y el rendimiento en servicio de los materiales son los cuatro elementos principales de la investigación de materiales. La investigación de materiales tradicionales se basa principalmente en la investigación de laboratorio y pertenece a la ciencia experimental. Sin embargo, con la mejora continua de los requisitos de rendimiento de los materiales, la escala espacial de los objetos de investigación de materiales continúa haciéndose más pequeña. Solo la investigación de microestructuras a nivel de micras no puede revelar la esencia de las propiedades de los materiales. Las nanoestructuras y las imágenes atómicas se han convertido en el contenido de la investigación de materiales. Los materiales incluso han sido estudiados hasta el nivel electrónico. Por lo tanto, la investigación de materiales depende cada vez más de tecnología de prueba de alta gama, y la investigación se vuelve más difícil y costosa. Además, el desempeño del servicio está recibiendo cada vez más atención en la investigación de materiales. La investigación del desempeño del servicio tiene como objetivo estudiar la interacción entre los materiales y el entorno del servicio y su impacto en el desempeño del material. A medida que el entorno de aplicación de los materiales se vuelve cada vez más complejo, la investigación de laboratorio sobre las propiedades de servicio de los materiales se vuelve cada vez más difícil. En resumen, depender únicamente de experimentos de laboratorio para la investigación de materiales ya no puede cumplir con los requisitos de la investigación y el desarrollo modernos de nuevos materiales. Sin embargo, la tecnología de simulación por computadora puede realizar investigaciones de múltiples niveles sobre materiales a escala nano, micro, mesoscópica y macro en un entorno virtual por computadora basado en teorías básicas. También puede simular el comportamiento de los materiales en ambientes extremos como temperaturas ultra altas y. El rendimiento del servicio de presión ultraalta simula las reglas de evolución del rendimiento y los mecanismos de falla de los materiales en condiciones de servicio, logrando así la mejora del rendimiento del servicio del material y el diseño del material. Por lo tanto, en el campo de la ciencia de materiales moderna, los "experimentos" informáticos se han convertido en un método de investigación tan importante como los experimentos de laboratorio, y con el desarrollo continuo de la ciencia de materiales computacional, su papel será cada vez más importante.
El desarrollo de la ciencia de materiales computacional está estrechamente relacionado con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología informática. Hubo un tiempo en que era extremadamente difícil calcular algunos materiales, como los cálculos de materiales de la mecánica cuántica, incluso con computadoras grandes, pero ahora se puede hacer usando microcomputadoras. Es previsible que la ciencia de los materiales computacionales se desarrolle más rápidamente en el futuro. Además, con el progreso continuo y la madurez de la ciencia computacional de materiales, la simulación y el diseño por computadora de materiales no solo son temas de investigación populares para los trabajadores de la física de materiales y la teoría del cálculo de materiales, sino que también se convertirán en una importante herramienta de investigación para los investigadores de materiales comunes. La madurez de los modelos y algoritmos y la aparición de software de propósito general han hecho realidad la aplicación generalizada de los cálculos de materiales. Por lo tanto, dominar los conocimientos básicos de la ciencia computacional de los materiales se ha convertido en una de las habilidades esenciales para los trabajadores de materiales modernos.
La ciencia computacional de materiales involucra todos los aspectos de los materiales, como diferentes niveles de estructura, diversas propiedades, etc., por lo que existen muchos métodos de cálculo correspondientes. Al realizar cálculos de materiales, primero debe elegir un método apropiado según los objetos de cálculo, las condiciones, los requisitos y otros factores. Para hacer una buena elección, es necesario comprender la clasificación de los métodos de cálculo de materiales.
En la actualidad, existen dos métodos de clasificación principales: uno se basa en modelos y métodos teóricos y el otro se basa en el tamaño del espacio característico calculado por el material (escala de espacio característico). El rendimiento de un material depende en gran medida de su microestructura, y la escala de la microestructura que determina el rendimiento del material variará mucho según el propósito del material. Por ejemplo, para los materiales estructurales, la escala estructural que afecta a sus propiedades mecánicas está por encima de las micras, mientras que para los materiales eléctricos, ópticos, magnéticos y otros materiales funcionales, la escala puede ser tan pequeña como nanómetros o incluso estructuras electrónicas. Por lo tanto, las escalas espaciales características de los objetos de investigación en ciencia de materiales computacionales varían desde la escala Angstrom hasta la escala del metro. El tiempo es otro parámetro importante en la ciencia de materiales computacionales. Para diferentes objetos de investigación o métodos de cálculo, la escala de tiempo de los cálculos de materiales puede variar desde 10 a 15 segundos (como métodos de dinámica molecular, etc.) hasta varios años (como simulación de corrosión, fluencia, fatiga, etc.). Existen métodos de cálculo de materiales correspondientes para objetos de investigación con diferentes características de escala espaciotemporal.
En la actualidad, los métodos de cálculo más utilizados incluyen métodos de cálculo de primeros principios ab initio, métodos de dinámica molecular, métodos de Monte Carlo, análisis de elementos finitos, etc.
Introducción al Laboratorio de Ciencia Computacional de Materiales del Instituto de Materiales Funcionales, Instituto General de Investigaciones Siderúrgicas
El Laboratorio de Ciencia Computacional de Materiales es una entidad de investigación con cierta solidez en cuanto a nivel de investigación científica y composición del personal. El laboratorio se estableció en 1986 y es una de las primeras unidades en China en realizar investigaciones sobre los mecanismos relacionados con la microestructura y las propiedades físicas macroscópicas de los materiales. Se dedica principalmente a la investigación sobre la estructura atómica, la estructura electrónica y el espectro de fonones de sistemas defectuosos en materiales metálicos, explorando los mecanismos y modos cruzados relacionados con la microestructura del material y las propiedades físicas macroscópicas, y proporcionando bases teóricas para el diseño de materiales. Bajo el liderazgo del Sr. Wang Chongyu, académico de la Academia de Ciencias de China, ha emprendido más de diez proyectos financiados por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales y varios proyectos clave del Ministerio de Metalurgia. Ha publicado docenas de artículos. en publicaciones autorizadas en el país y en el extranjero. En 1994, ganó el primer premio al progreso científico y tecnológico del Ministerio de Metalurgia (logros teóricos). Actualmente, el laboratorio ha llevado a cabo 1 proyecto del Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo Básico (973) y 3 proyectos de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales. El laboratorio continúa creciendo a medida que se desarrolla, capacitando a docenas de estudiantes de maestría y doctorado, absorbiendo constantemente sangre nueva, expandiendo los campos de investigación, mejorando la competitividad y manteniendo niveles avanzados internacionales en el campo de la investigación. Al mismo tiempo, llevamos a cabo vigorosamente la cooperación nacional e internacional y hemos establecido relaciones de cooperación a largo plazo con la Universidad Northwestern, el Instituto Tomsk de Física de Fuerza y Ciencia de Materiales en Rusia, la Universidad de Hong Kong, la Universidad Tsinghua y la Universidad Shenyang. Instituto de Investigación de Metales de la Academia de Ciencias de China.