Преобразование Моделирование Молекулярная в основной химической инженерии Инструмент
Айше ЖУРНАЛ Выделите
Численные методы, которые описывают поведение материи на молекулярном уровне, можно разделить на два основных суб-дисциплин: вычислительная химия количество, которое дает строение и реакционная способность молекул - и молекулярного моделирования - классического моделирования, которые позволяют поведения материалов, которые будут изучены в атомном уровне и позволяют определять объемные свойства. Эти методы имеют важное значение для современной химической технологии, поскольку они позволяют понимания и контроля на молекулярном уровне явлений и не может предсказать, как новые материалы будут использовать их химического состава и структуры.
Применение изобилуют в таких областях, как нанотехнологии, энергетика, биотехнологии, охрана окружающей среды, химических веществ и электроники. Вычислительной квантовой химии достиг основной статус в области химического машиностроения, в том, что на постоянной основе использовать обе теоретиков и экспериментаторов, чтобы достичь взаимопонимания систем и прогнозировать основные свойства. Однако молекулярные методы моделирования, такие как молекулярная динамика (МД) и Монте-Карло (MC), еще не основной инструмент в области химического машиностроения, несмотря на их широкое использование больших и растущая группа специалистов. Это парадоксально, так как MD и MC позволить определения гораздо более широкий спектр свойств, представляющих интерес для инженеров-химиков, чем квантовых методов.
Если мы хотим в полной мере реализовать потенциал этих молекулярных методов моделирования, целенаправленные усилия, необходимые для преодоления барьеров, препятствующих их более широкому внедрению более широким сообществом химической технологии. Этот вопрос обсуждается более подробно в июньском номере журнала Айше, в статье Перспектива "От Discovery к данным: Что должно произойти для моделирования молекулярной стать основной химической технологии Tool."
Основной принятия молекулярной отстает от квантовых методов по многим причинам. Молекулярная моделирование диффузного методов, используемых для вычисления различных величин, в то время как расчеты квантовых иметь единую, четко определенные цели - найти энергии из одного или нескольких молекул решения не зависящие от времени уравнения Шредингера. Большинство практикующих квантовой химии использовать несколько проверенных коды, но число МД и МК кодов, используемых велико, что отражает тот факт, что эти расчеты используются в широком спектре приложений. Уровень расчетов квантовых можно сравнить с тем составленный Национальным институтом стандартов и технологии США (NIST), но не такая база существует для молекулярного моделирования. Web-интерфейсы были разработаны для установки и представления расчетов квантовой химии, но пользовательские интерфейсы являются редкими в молекулярных расчетах моделирования, за исключением нескольких коммерческих программных пакетов. Основа, используемым при проведении квантово-химические расчеты могут быть загружены с сайтов поддержку со стороны США
Кафедра Управление энергетики по вопросам науки, но не такую услугу существует потенциал межмолекулярного параметров (силовых полей), необходимые для проведения расчетов молекулярной моделирования. Наконец, иерархия установленных приближений, используемых в квантовых вычислений, с общепринятыми руководящих принципов о том, как повысить точность данного расчета; точность молекулярного моделирования петли на качество силового поля, но Есть нет четких руководящих принципов для как систематически совершенствовать силовые поля ..
Вычислительная мощность и методы передовой, где в настоящее время возможность использования молекулярного моделирования для прогнозирования важных свойств инженерных реальных материалов с высокой степенью точности. Вычислительного времени больше не крупнейший барьер, препятствующий молекулярной никогда не использовалось. Вместо этого, барьеров, связанных с интеграцией программного обеспечения и методов разработки инструментов и баз данных, что позволит исследователям использовать методы более свободно и уверенно. Преодоление этих препятствий требует партнерства между промышленными и научными исследователями, при поддержке и содействии предоставляемой правительственными учреждениями, занимающимися стимулирование инновационной деятельности. Шесть основных вопросы должны быть решены:
* Объем объектов, подлежащих вычислить должны быть четко определены в целях разработки инструментов, направленных на эти свойства.
* Программные средства должны быть разработаны, чтобы позволить пользователям более быстро, точно и легко создавать симуляции.
* Программное обеспечение и инструменты анализа должны быть интегрированы для расчета свойств, которые требуются с использованием лучших методов.
* Покрытие силовых полей должны быть улучшены, чтобы охватить весь молекул и стационарных точек, определенных промышленности в качестве важного. Репозитории также должны быть разработаны для хранения и распространения этих силовых полей.
* Для поддержки проверки, процедуры должны быть разработаны котором результаты расчетов можно архивировать и сравниваются с экспериментальными данными и других эталонных расчетов.
* База данных молекул и уравновешенной структуры, аналогичные Protein Data Bank - должна быть создана, чтобы сократить затраты времени в формировании первоначальной структуры.
Принятие молекулярной как основной инструмент требует интеграции разрозненных методов, а также использования средств информационных технологий, таких как базы данных и веб-приложений. В конечном итоге это инженерные проблемы, и инженеры-химики готовы играть ключевую роль.
Эдвард Дж. Магинн
Университет Нотр-Дам
