Wyobraźmy sobie chemika, który nie używa odczynników, probówek, zlewek i fartucha. Chemika, który nawet nie wchodzi do laboratorium, tylko siedzi wygodnie przed komputerem. Czy to możliwe? Okazuje się, że jak najbardziej. Właśnie w taki sposób pracują naukowo chemicy teoretycy, przedstawiciele jednej z najstarszych gałęzi chemii, którzy jednak dopiero kilkadziesiąt lat temu dostali szansę niezwykle dynamicznego rozwoju. Zacznijmy jednak od początku…

W starożytności filozofowie Demokryt i Arystoteles zastanawiali się, jak zbudowana jest materia i jakie wynikają z tego konsekwencje. Wtedy wprowadzono pojęcie atomu i tworzono wiele teorii na temat jego struktury. Przez wiele lat uczeni w najróżniejszy sposób próbowali badać i dokładnie opisać naturę Wszechświata. Przełom nastąpił wraz z rozwojem przemysłu, aparatury i sprzętu. Coraz doskonalsze przyrządy pomiarowe pozwoliły eksperymentalnie ustalić budowę atomu, a także stwierdzić, że to od jednego z jego elementów – elektronu – tak naprawdę zależy większość właściwości danego związku. Skoro zatem wiadomo, że od struktury molekuły zależą jej cechy i reaktywność, to znaczy że możemy zadziałać w drugą stronę i poznać parametry cząsteczki, bazując jedynie na tym, jak ona wygląda. W ten sposób narodziła się faktyczna chemia teoretyczna, zajmująca się zagadnieniami chemicznymi tylko od strony teoretycznej, wyjaśniająca przebieg doświadczeń i przewidująca ich skutki.

Oficjalnie chemia teoretyczna to dział chemii fizycznej, badającej zjawiska fizyczne występujące podczas przemian chemicznych. Zajmuje się ona modelowaniem (wirtualną budową) związków chemicznych i optymalizacją ich geometrii (określaniem faktycznej struktury i ułożenia w przestrzeni). Przewiduje także przebieg reakcji oraz właściwości chemiczne, fizyczne i biologiczne danej cząsteczki. Wszystkie te działania dotyczą zarówno substancji znanych, jak i tych, których jeszcze nie otrzymano. Możemy również projektować zupełnie nowe związki, stwierdzać czy mają one prawo istnieć w rzeczywistości i przewidywać ich możliwe zastosowania.

Właściwie wszystko już wiemy, pozostaje jednak pytanie – jak to zrobić? Odpowiedź sprowadza się, niestety, nie tylko do dobrej znajomości chemii fizycznej i kwantowej (stosującej teorię kwantów do opisu atomów i elektronów), ale również matematyki ze szczególnym uwzględnieniem rachunku różniczkowego (pochodnych) i całkowego. W tym momencie czytelnik zapewne zadaje sobie pytanie: „Jakim cudem autor uważa, że to może być proste?”. Faktycznie, nawet zwykła chemia w szkole stanowi duży problem dla wielu młodych ludzi, a co dopiero chemia połączona z fizyką i skomplikowaną matematyką. Jest jednak coś, co sprawia, że skomplikowane staje się proste. Coś, co większość z nas ma w domu i zapewne używa tego niemal codziennie. Mowa oczywiście o komputerze.

Skok technologiczny

W 1929 roku Paul Dirac, jeden z twórców mechaniki kwantowej, powiedział: „Podstawowe prawa, konieczne do sformułowania matematycznej teorii znacznej części fizyki i całej chemii,
są w pełni poznane, a jedyna trudność leży w tym, że ścisłe zastosowanie tych praw prowadzi do równań, które są zbyt skomplikowane, aby mogły zostać rozwiązane”. Rzeczywiście, do pewnego momentu zależności matematyczne wyprowadzane przez chemików były po prostu zbyt trudne, aby można było rozwikłać je na papierze. I pewnie męczylibyśmy się z tym po dziś dzień, gdyby w latach 50. XX wieku nie wydarzył się cud. Właśnie wtedy wynaleziono maszyny liczące, które można zaprogramować do wykonania konkretnych i powtarzalnych obliczeń. Były to pierwsze komputery. Od tamtego czasu przemysł komputerowy rozwinął się wręcz niewyobrażalnie. Dla przykładu, w ciągu ostatnich trzydziestu lat cena komputera zmalała sto tysięcy razy, podczas gdy liczba tranzystorów (wzmacniaczy sygnałów elektrycznych) w ich obwodach scalonych wzrosła ponad milion razy. Dla lepszego zobrazowania skali rozkwitu komputeryzacji porównuje się ją z postępem w przemyśle samochodowym. Okazuje się, że gdyby rozwój techniki motoryzacyjnej dorównywał postępowi w technice komputerowej, nowoczesny samochód ważyłby sześćdziesiąt gramów, kosztował czterdzieści dolarów, miał bagażnik o pojemności półtora miliona litrów, zużywał litr paliwa na przejechanie sześciuset tysięcy kilometrów i poruszał się z prędkością dwóch milionów kilometrów na godzinę. (Dane liczbowe zostały zaczerpnięte z wykładu kursowego profesora Janusza Raka z Wydziału Chemii Uniwersytetu Gdańskiego Wprowadzenie do kwantowej chemii komputerowej .)

Porównanie to obrazuje jak niewyobrażalnie duże znaczenie dla świata nauki, w tym oczywiście chemii, miał ten olbrzymi skok technologiczny. Okazało się, że można wykonać taki niesamowicie skomplikowany, matematyczno-chemiczny proces obliczeniowy i otrzymać rozwiązanie, które niemalże w stu procentach pokrywa się z danymi uzyskanymi doświadczalnie. Dodatkowo, wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej komputerów, praca naukowa wykonywana była coraz szybciej. Na przykład wyznaczenie energii cząsteczki azotu w 1955 roku wymagało około roku (!) nieprzerwanej pracy komputera. Te same obliczenia w roku 1965 (a więc zaledwie dziesięć lat później) trwały już tylko około jednej sekundy. Czas obliczeń został zatem skrócony ponad dwadzieścia milionów razy! Obecnie wykonujemy obliczenia nie tylko dla małych związków, ale również bardzo złożonych, wieloatomowych układów białek i peptydów, co jeszcze kilkanaście lat temu było zupełnie nie do pomyślenia. W ten sposób narodziła się w pełni nowa dziedzina (połączenie techniki i chemii teoretycznej) – chemia komputerowa.

Człowiek jest niezbędny

Nawet najlepszy komputer nie pomoże jednak, jeżeli nie mamy odpowiedniego oprogramowania. Problem ten rozwiązał John Pople wraz ze swoim zespołem. W 1970 roku stworzyli program do obliczeń kwantowo-chemicznych o nazwie GAUSSIAN. Obecnie to jeden z najlepszych i najpopularniejszych programów obliczeniowych; jest również stale aktualizowany
i poprawiany. Za swoją pracę Pople otrzymał w 1998 roku Nagrodę Nobla. Była to pierwsza i do dzisiaj jedyna nagroda przyznana za pracę z dziedziny chemii komputerowej. Poza programami obliczeniowymi istnieje szereg aplikacji graficznych, służących do budowy i „podglądania” zachowania danego związku. Dzięki nim możemy śledzić zmiany w ułożeniu przestrzennym cząsteczki podczas jej optymalizacji, a także w prosty sposób zmierzyć i poznać wszelkie interesujące nas dane fizyczne, takie jak długości wiązań czy też wielkości kątów między atomami.

Chemia kwantowa, chemia fizyczna i chemia teoretyczna to najtrudniejsze przedmioty na studiach chemicznych, z tego względu również są najmniej lubiane. Niechęć do nich bierze się przede wszystkim z ogromu zagadnień matematycznych, które nierzadko trudno zapisać, a co dopiero rozwiązać i zrozumieć. Okazuje się jednak, że to, co skomplikowane w teorii, w praktyce badawczej staje się przyjemne i proste. Dodatkowo nie wymaga poświęcenia wielu godzin dziennie na pracę w laboratorium – wystarczy dostęp do komputera i Internetu, aby pracować będąc w dowolnym miejscu na świecie. Biorąc pod uwagę wykorzystanie maszyn, które wykonują właściwą część obliczeń, rzeczywisty czas pracy nad danym problemem (np. badaniem szybkości reakcji) jest o wiele krótszy, niż wykonanie tego doświadczenia w laboratorium. Poza tym badamy związki, które nie zostały jeszcze otrzymane (zatem nie ma możliwości przeprowadzenia eksperymentów z ich udziałem).

To wszystko nie oznacza oczywiście, że w chemii komputerowej człowiek jest zbędny. Wręcz przeciwnie. Programy i sprzęt znacząco ułatwiają pracę, jednakże, aby wykonały ją poprawnie, niezbędne jest właściwe zaprojektowanie cząsteczki, wydanie konkretnych poleceń (zaprogramowanie obliczeń), a także wpisanie odpowiednich danych potrzebnych do optymalizacji. Od osoby, która prowadzi obliczenia, wymagane jest należyte przygotowanie teoretyczne oraz praktyczne – umiejętność obsługi programu (zazwyczaj nie jest to bardzo skomplikowane). Oczywiście, aby praca miała wartość naukową, należy wiedzieć co i w jaki sposób zrobić, a przede wszystkim jak zinterpretować otrzymane wyniki i wyciągnąć z nich odpowiednie wnioski. To my, a nie maszyny, realizujemy zdecydowanie prostszą, ciekawszą, przyjemniejszą i przede wszystkim bardziej wartościową część pracy. W wykonaniu komputera wygląda to w dużym uproszczeniu tak jak na Ryc. 2, a w wykonaniu chemika jak na Ryc. 3.

Modelowanie molekularne

Z matematycznych szczytów zeszliśmy zatem do rozległego świata grafiki komputerowej, ale ta graficzna przygoda, poza efektami wizualnymi, niesie ze sobą olbrzymie korzyści naukowe. Techniki obliczeniowe, chociaż same w sobie niezwykle skomplikowane, w użyciu są bardzo proste. Poza tym coraz więcej osób interesuje się informatyką, programowaniem i grafiką komputerową, a więc dokładnie tym, co wykorzystuje chemia komputerowa. Dla lepszego zobrazowania naszej pracy jeszcze jedno porównanie – zapewne każdy bawił się w dzieciństwie klockami lego. Część graficzna projektu przypomina właśnie odpowiednie składanie ze sobą elementów i budowę docelowej struktury, co często (zwłaszcza przy dużych cząsteczkach) daje niemałą satysfakcję. Analogicznie – kiedy „zgubimy” jeden element, albo pomylimy ich kolejność, czasami trzeba zaczynać wszystko od początku i tym razem satysfakcja jest mocno stłumiona…

Chemia jako nauka to nie tylko długie godziny z odczynnikami. Dzisiaj coraz silniej rozwijany jest jej aspekt teoretyczny i wirtualny. Warto dodać, że współcześnie większość eksperymentów wykonujemy również teoretycznie, w celu potwierdzenia wyników otrzymanych w laboratorium przez naszych kolegów. Co istotne – nie trzeba studiować chemii, aby zetknąć się z tą dziedziną. Coraz częściej towarzystwa naukowe i wydziały chemiczne organizują warsztaty, kursy i pokazy dotyczące modelowania molekularnego (również na wesoło i z elementem rywalizacji, na przykład zawody kto szybciej zbuduje wirtualny związek).

Wiem, że trudno pokochać chemię tylko z uwagi na jej komputerowy aspekt, zwłaszcza dopóki w szkołach jest nauczana głównie za pomocą kredy i tablicy, a nie pokazów i eksperymentów. Pamiętajmy jednak, że reakcje z zeszytu można również zaprojektować i zobaczyć na komputerze. Ponadto można wykonać to praktycznie samemu. I nie jest to tylko kolejny technologiczny gadżet, ale nieustannie rozwijająca się, bardzo ciekawa dyscyplina naukowa. Zaletą chemii komputerowej jest także brak wymagań co do miejsca pracy (wystarcza dostęp do komputera). Znika również konieczność zakupu odczynników i wyposażenia pracowni chemicznej. Ja doświadczyłem tego wszystkiego na własnej skórze. Przekonałem się, że to, co skomplikowane i trudne w teorii, w praktyce okazuje się proste, przyjemne i co najważniejsze interesujące.

Zatem jeżeli ktokolwiek będzie się zastanawiać nad karierą naukową, nie powinien się bać trudnych nauk ścisłych. Współczesne możliwości pracy w tych dziedzinach wychodzą daleko poza laboratorium. Podczas swojej pracy naukowej miałem już okazję wykonać wiele obliczeń i optymalizacji, używając opisanych programów i metod. Obecnie badamy niezwykle interesujące, charakteryzujące się ekstremalnymi właściwościami układy o ładunku ujemnym (aniony superhalogenowe) i ich oddziaływania z innymi cząsteczkami. Najwspanialszym aspektem tej pracy jest jednak ciekawość: Co dzisiaj będzie wynikiem obliczeń? Co odkryjemy tym razem? Czy nasz związek może zachowywać się w ten sposób?, a także uczucie, że badamy coś, czego nikt inny do tej pory nie badał i tym samym, siedząc przed komputerem, własnoręcznie dopisujemy kolejne zdania do wielkiej encyklopedii świata nauki.