Wiemy, że cząsteczki i atomy mogą przekształcać się w inne cząsteczki i atomy podczas reakcji chemicznej – ich zapisu uczymy się na lekcjach chemii. Czy w XXI wieku nie moglibyśmy poznawać chemii inaczej niż poprzez zapis reakcji? Może warto nakręcić film, pokazujący, jak biegnie dana reakcja chemiczna? Czy jest to możliwe?
Co zrobić, jeśli chcemy zobaczyć reakcję chemiczną, ale nie jej efekt makroskopowy taki, jak zmiana koloru roztworu, strącenie się osadu, efekt świetlny, towarzyszący eksplozji itd.? Jak podejrzeć, co zrobiły atomy, gdy się spotkały w trakcie reakcji? Problemem jest ich bardzo mała wielkość. Przykładowo proteaza wirusa SARS-CoV-2, złożona z 4500 atomów, ma szerokość około 8 nm, znacznie mniej niż długość fali świetlnej. Niestety rozdzielczość dobrego mikroskopu optycznego to 200 nm. Skoro nie możemy reakcji zobaczyć to, co możemy zrobić?
Zamiast szukać narzędzi i rozwiązań, by zobaczyć reakcje w probówce, zbudujmy sobie model, który chcemy badać. Z wykorzystaniem komputera stwórzmy model trójwymiarowy złożony z atomów i cząsteczek i prześledźmy reakcję chemiczną, nagrajmy film. By tego dokonać, potrzebujemy dobrego komputera o dużej mocy obliczeniowej oraz programów/narzędzi, pozwalających na obliczenie kolejnych kroków naszej symulacji. Rozwijaniem narzędzi do takich obliczeń zajmuje się chemia kwantowa. W ciągu ostatniego stulecia rozwoju tej dziedziny powstała niezliczona ilość metod i programów, pozwalających na wgląd w strukturę cząsteczek, w ich energię całkowitą oraz energię oddziaływania międzymolekularnego, a także w rozmieszczenie ładunku w obrębie cząsteczki, lokalizację momentów dipolowych i momentów multipolowych wyższego rzędu, m.in. w kluczowe drgania i oscylacje, we własności spektroskopowe, reaktywność, przekroje aktywne na zderzenia i wiele innych. Dzięki chemii kwantowej możemy oglądać atomy i cząsteczki oraz zapisywać krok po kroku, zdjęcie po zdjęciu, przebieg reakcji. Obliczenia kwantowo-mechaniczne, oferowane przez chemię kwantową, stały się nieocenionym źródłem informacji, wykorzystywanym przez naukowców do badania i projektowania nowych materiałów, do projektowania leków i opisu procesów biochemicznych, opisywania widm spektroskopowych i wzbudzeń.
Z wykorzystaniem narzędzi chemii kwantowej opisać możemy już wiele zjawisk i procesów, ale wraz z ich rozwojem rosną nasze wymagania i ambicje. Chcielibyśmy prowadzić obliczenia coraz sprawniej, coraz szybciej, coraz dokładniej, chcielibyśmy opisywać coraz to większe i bardziej złożone układy molekularne.
Stany podstawowe chemia kwantowa opisuje dość wydajnie. Znacznie trudniej jest opisać stany wzbudzone, rodniki, czy też sam proces zrywania wiązania chemicznego. W Zespole Chemii Kwantowej w Instytucie Fizyki na Politechnice Łódzkiej pracujemy m.in. nad rozwojem nowych metod chemii kwantowej, pozwalających na wydajne badanie trudnych układów molekularnych, takich jak stany wybudzone.
Rozwijając metody obliczeniowe chemii kwantowej, naukowcy wybiegają myślami w przyszłość. Przygotowujemy się do przeniesienia naszych narzędzi z komputerów o mocach Peta-skalowych na obliczenia Exo-skalowe. Coraz częściej projektowane metody obliczeniowe przystosowane do architektury komputerów klasycznych są przygotowywane do obliczeń na superwydajnych komputerach kwantowych. Chemia kwantowa rozwijana jest w wielu kierunkach i miejmy nadzieję, że kolejny przełom w tej dziedzinie pozwoli nam inaczej spojrzeć na naukę.
