Химия сегодня
принятая в компьютерных банках,
поддерживаемая научными журналами, устанавливаемая научными сообществами
как общепринятая норма, нередко приводит к тому, что исследователи
осуществляют не тот эксперимент, который задуман (ими или их
руководителями) и определяется поставленной научной задачей, а тот, который
нужно выполнить, чтобы хорошо смотреться на конференции, без проблем
опубликовать результаты и заложить их в банк.
При более общем взгляде на этот вопрос можно подразделить используемые
физические методы на широко распространенные (общепринятые) (например, ИК-
и ЯМР-спектроскопия), редкие, но также достаточно широко известные
(например, газовая электронография), методы, представляющие собой
нестандартное использование стандартного оборудования (например,
прецизионный рентгеноструктурный анализ, о котором сказано ниже) и
уникальные методы ). В настоящее время работы, в которых используются
уникальные методы, встречаются крайне редко. Почти не находится желающих
идти непроторенными путями при наличии удобных хорошо оборудованных
магистралей к тому же с риском не добиться успеха. Немаловажно и то, что в
этом случае могут возникнуть проблемы с финансированием. Вместе с тем, если
уникальный замысел оправдывает себя, при современном развитии коммуникаций
метод быстро перемещается в разряд более или менее распространенных, если
же нет, – забывается, и говорить о нем нет смысла. Поэтому затруднительно
даже привести подходящий пример уникального метода. (Фемтосекундная
спектроскопия [3] уже приобрела определенное распространение и в ближайшее
время станет, если не общепринятой, то достаточно часто используемой.)
Аналогично приведенной классификации физических методов исследования (по
степени их распространенности) можно классифицировать экспериментальные
химические исследования, в том числе исследования, проведенные с
применением физических методов. Здесь также можно говорить о работах
стандартных, более редких, неординарных исследованиях и об уникальных
экспериментах, причем уникальность вовсе не обязательно обусловлена
использованием уникального физического метода. В химии 18-го и 19-го веков
почти все успешные эксперименты (или, по крайней мере, большая часть таких
экспериментов) были уникальными. В 20-м веке сформировался и достиг
колоссального размаха стандартный химический эксперимент – производство
однообразной информации. Мы уже говорили о высокой ценности опытных данных
такого рода. И вместе с тем, особую, часто выдающуюся и решающую роль
играли уникальные эксперименты. Выходя за рамки структурной химии в
качестве примеров можно указать радиохимические исследования М. Склодовской-
Кюри, определение химической структуры хлорофилла (Р.М.Вильштеттер) и его
синтез (Р.Б.Вудворд), изучение биоэнергетики клетки (П.Митчел). В 21-м
веке, надо думать, сохранится особая значимость, особое место
нетривиального, нестандартного опыта, который М. Борн назвал "главным
источником знания". Примечательно, что эти слова принадлежат не
экспериментатору, а теоретику.
Компьютерное моделирование.
Важнейший аспект современной химии заключается в том, что наряду с
приборными (инструментальными) физическими методами все большее место в ней
занимает компьютерное моделирование. Это словосочетание в последние годы
звучит все чаще. Но смысл его, похоже, не вполне ясно очерчен.
Первоначально (около тридцати лет назад) термин "компьютерное
моделирование" чаще всего соответствовал понятию численного
(осуществляемого на ЭВМ) эксперимента [5]. Однако в то время были уже
широко распространены квантовохимические расчеты и некоторые другие
громоздкие вычислительные задачи. Постепенно граница между расчетами такого
типа и собственно компьютерными экспериментами стала размываться.
Действительно, и в том, и в другом случае при правильной постановке
исследования расчет приводит к получению новой информации, причем
вычисления отнюдь не сводятся к обработке результатов экспериментальных
измерений.
В настоящее время компьютерное моделирование как метод исследования находит
широкое применение отнюдь не только в химии. Применительно к весьма
разнообразным разделам естествознания (и даже не только естествознания) к
области компьютерного моделирования можно отнести следующие задачи:
I. Расчетное воссоздание (восстановление, построение) какой-либо системы
и/или ее свойств.
II. Расчетное воспроизведение какого-либо процесса (компьютерный
эксперимент).
III. Выявление и описание функциональных зависимостей (корреляций).
Это моделирование, потому что всегда используется некоторая модель
(приближение). Оно компьютерное, поскольку требуется значительный объем
вычислений.
Если теперь обратиться к химии, то конкретное содержание перечисленных
задач можно представить следующим образом:
I. 1. Расчеты строения и спектров молекул и других атомно-молекулярных
систем на основе квантовой химии и теоретической молекулярной
спектроскопии
2. Построение потенциальных поверхностей
3. Расчеты на основе метода "молекулярной механики"
II. 1. Молекулярная динамика
2. Метод Монте-Карло (строение, динамика и свойства жидкостей,
растворов, твердых тел; поверхностные явления, абсорбция)
3. Моделирование химических реакций и химических равновесий,
макрокинетические процессы
III. Установление корреляций структура – свойство, проблемы
материаловедения
Заметим, что исследования, относящиеся к важнейшему для химии пункту II.3,
пока не увенчались большими успехами. Осуществить компьютерное
моделирование химических процессов удалось лишь в некоторых простых
случаях. Об уверенном предсказании хода химического превращения для мало-
мальски сложных систем говорить пока не приходится. Вообще, компьютерное
воспроизведение процессов, происходящих в атомно-молекулярных системах,
обладающее многими признаками эксперимента, в настоящее время не дает (если
не говорить о простейших модельных ситуациях) результатов, которые по их
достоверности можно было бы приравнять к экспериментальным. Возникает
методологическая проблема: какое место в системе научных достижений следует
отвести сведениям, получаемым путем компьютерного экспериментирования (и
других видов компьютерного моделирования)?
Возможно, правильный ответ на этот вопрос состоит в следующем. Коль скоро
мы не можем принимать результаты компьютерного моделирования за абсолютную
научную истину без дополнительной истинно экспериментальной проверки, их
следует считать гипотезами. Однако здесь мы сталкиваемся с гипотезами
принципиально нового, ранее неизвестного типа. Если до появления
компьютерного моделирования гипотеза всегда представляла собой догадку
(более или менее интуитивную), то с возникновением этого метода научного
исследования мы получаем в руки совершенно новый инструмент – гипотезу,
которую объективно формирует компьютер (разумеется, на основе заданных
исходных моделей и их параметров). Таким образом, в арсенале химии (и
других разделов естествознания) появляются "объективные" гипотезы ), против
которых, возможно, не возражал бы и Ньютон, сказавший, как известно:
"Гипотез не измышляю".
Примечательно, что компьютерное моделирование почти неизбежно, почти всегда
придает описанию рассматриваемой системы структурный оттенок либо
оказывается полностью структурным. Это закономерно: структурные
представления все шире и глубже внедряются в химию, новейшие достижения
химиков очень часто связаны с изучением именно структурных аспектов
явлений. Многочисленные примеры такого рода можно найти в области биохимии
и смыкающейся с ней молекулярной биологии (функционирование белков и
полинуклеотидов, иммунологические реакции). Другой пример: достижения
фемтосекундной спектроскопии, которая позволяет детально и наглядно описать
изменение структуры, происходящее в процессе химической реакции.
Круг объектов современной (структурной) химии.
Весьма существенное (и, к сожалению, пока недостаточно осознанное
химическим сообществом) обстоятельство заключается в том, что современная
химия имеет дело отнюдь не только с химическими веществами и другими
гомогенными фазами, например, растворами, но и с обширным кругом
принципиально иных атомно-молекулярных систем (АМС). Именно это
обстоятельство побуждает пересмотреть традиционное определение химии, о чем
было сказано в начале настоящей статьи.
На первый план выдвинулось изучение таких объектов, как ДНК, РНК, белки,
которые функционируют не в качестве вещества, а виде отдельных молекул.) К
химическим процессам, реализующимся в биологических системах [6],
неприменимы принципы классической термодинамики. Быстро растет интерес к
супрамолекулярным системам [7]. Отдельный и очень важный круг АМС
представляют собой системы, возникающие на поверхности, на границах раздела
фаз. Примером таких систем являются модифицированные поверхности графита,
силикагеля и других носителей, несущие на себе "привитые" (химически
связанные) молекулы модификатора [8]. Самостоятельная область химических
знаний, имеющая дело со специфическими АМС, – коллоидная химия [9].
Следует отметить, что структура все в большей мере становится не только
средством интерпретации поведения самых различных АМС, но и средством их
идентификации, главным признаком, используемым при инвентаризации
многообразия АМС.
Добавим к этому еще одно немаловажное обстоятельство, существенно влияющее
на дефиницию химии и формулировку ее задач: многие химические вещества,
которые априори считались (и чаще всего до сих пор считаются) гомогенными,
в действительности представляют собой микрогетерогенные фазы. Это
проявляется, например, в том, что в молекулярных жидкостях молекулы часто
объединены в агломераты – ансамбли, в пределах которых молекулы
взаимодействуют сильнее, т.е. связаны прочнее, чем молекулы, от
| |  скачать работу |
Химия сегодня |
