A számítógépes kémia ( matematikai kémia ) a kémia egy viszonylag fiatal területe , amely elsősorban a számítógépes módszerek alkalmazásán és a diszkrét matematikán alapul. , gráfelmélet és kombinatorika , alapvető és alkalmazott jellegű kémiai problémákra. A kémia általános definíciója alapján, mint az anyagok és azok egymásba való átalakulásának tudománya, azt mondhatjuk, hogy a számítógépes kémiában az anyagokat ( molekulákat ) molekulagráfokkal , az anyagok átalakulását ( kémiai reakciókat ) pedig formális műveletekkel modellezik. grafikonok. Egy ilyen megközelítés számos esetben jelentősen leegyszerűsíti a kémiai problémák algoritmizálását, a kombinatorika és a diszkrét matematika tipikus problémáira redukálva azokat, és lehetővé teszi a megoldások keresését számítógépes programok segítségével. Ugyanakkor a számítógépes kémia speciális programjai mellett univerzális programok is használhatók: táblázatokkal való munkához , matematikai programokhoz (például Maple vagy Mathematica ) stb.
A számítógép-kémia tipikus feladataira példaként megnevezhetjük: „struktúra-tulajdonság” típusú függőségek keresése ; a meghatározott paramétereknek megfelelő kémiai szerkezetek készleteinek létrehozása (összetétel, funkciós csoportok jelenléte stb.); adott reagensek közötti különféle kémiai reakciók számbavétele (ún. "számítógépes szintézis"), stb. A számítógépes kémiában az általános kémiai problémák mellett a kémiai informatika problémáival szorosan összefüggő, rendkívül speciális problémák nagy csoportja is létezik, pl. például a kémiai szerkezetek felismerésének problémája, amikor a kémiai és fizikai-kémiai adatbázisokat. Ez a problémacsoport viszont szorosan kapcsolódik a gráfizomorfizmus problémájához .
Számítógép-kémiai feladatok megoldása során széles körben alkalmazzák a különféle számítási módszereket, topológiai indexekkel (gráfinvariánsokkal) végzett műveleteket. A formális-logikai megközelítést esetenként kémiai megközelítések is kibővítik, például a molekula szerkezetét tükröző topológiai indexek mellett a molekulában lévő atomok elektronegativitásai , amelyek az anyag összetételét tükrözik, használt. A számítógépes kémia módszereit gyakran kombinálják a kvantumkémia , a molekuláris mechanika stb. módszereivel. A matematikai statisztika módszereit széles körben használják a számítási kísérletek eredményeinek feldolgozására . Egyes esetekben mesterséges intelligencia módszereket alkalmaznak a megoldások megtalálására .
A számítógépes kémiai módszerek különleges szerepet játszanak a szerves kémiában , ami az utóbbi nehezen formalizálhatóságával magyarázható, mind más természettudományokkal, például a fizikával , mind a kémia más területeivel, például a szervetlen kémiával összehasonlítva. kémia . A számítógépes kémia a biokémiai kutatások számos fontos területén is nagy jelentőséggel bír , például a „struktúra-farmakológiai aktivitás” típusú problémák megoldása során gyakran az ilyen vizsgálatokban a számítógépes kémiai módszereket kiegészítik a molekuláris biológiai rendszerekre jellemző modellezési módszerekkel.
A kialakulás és az önálló szakterületté formálódás időszakában egy-egy új tudományos irányzat gyakran más-más elnevezést kap különböző szerzőktől. Ez történt a számítógépes kémiával: történelmileg két elnevezést rögzítettek - "számítógépes kémia" és "matematikai kémia". Így az egyik tudományos folyóirat, amely jelentős hatással volt a számítógépes kémia fejlődésére, a Journal of Mathematical Chemistry nevet viseli. A "matematikai kémia" elnevezés azonban szerencsétlennek tűnik. , tekintettel arra, hogy a kémia sok olyan területe, amely jóval a számítógépes kémia megjelenése előtt alakult ki, eredetileg matematikai alapokon alapult, például a fizikai kémia , a kinetika és katalízis , a kvantumkémia. Míg a számítógép-kémia területén számos alapvető munkát végeztek a számítógépek első generációja során , a számítógépes kémia fejlesztése csak a modern számítógépek megjelenésével vált lehetségessé. Annak ellenére, hogy ma a modern kémia szinte minden területén használják a számítógépeket, mind elméleti, mind kísérleti kutatásra, a számítógépes kémia az, amely a kémia sok más területénél sokkal inkább függ a számítástechnika fejlettségi szintjétől. Ez a függőség elsősorban a legfontosabb gráfelméleti algoritmusok sajátosságaihoz kapcsolódik, amelyek közül sok exponenciális számítási bonyolultságú - az algoritmus végrehajtására fordított idő elméleti becslése a gráf méretének exponenciális függvénye, azaz , csúcsainak és éleinek számáról, vagy általános kémiai nyelven - a molekulában lévő atomok és kémiai kötések számáról.
Másrészt a számítógépes kémiai módszerek segítségével megoldott kémiai informatika ( Kemoinformatika ) számos feladata már számítógép használata nélkül is megoldhatatlan, például a kémiai vegyületek tulajdonságait bemutató számítógépes adatbázis kialakítása és működtetése. . Ugyanakkor meg kell jegyezni, hogy maga a kemoinformatika jóval a számítógépek megjelenése előtt keletkezett. Vannak olyan módszerek, amelyek beváltak és klasszikussá váltak az ezekben a kiadványokban való keresésnek mindenféle nyomtatott index (szerző, tárgy, képlet stb.) segítségével, a számítógépes kémia apparátusának bevonása nélkül szervezve. Így a számítógépes kémiától eltérően a kémiai informatika ( Kemoinformatika ), mint a kémia hagyományos területeinek túlnyomó többsége, a számítógép előtti technológiák alkalmazásán alapul. . Ez a fő a számítógépes kémia módszertani különbsége. Bizonyos fokú pontatlansággal vitatható, hogy ha a legtöbb kémiai kutatás célja valamilyen kémiai mintázat megállapítása, akkor a számítógépes kémia kutatásának célja általában valamilyen algoritmus és egy azt megvalósító számítógépes program, amely lehetővé teszi a kémiai minták keresését, egy ilyen program működése már a számítógépes kémia területein kívül is megtörténhet.
Számítógépes kémia szakaszai | |
---|---|