الكيمياء الحسابية

الابحاث في الكيمياء يمكن تقسيمها الى ثلاثة انواع:

• الكيمياء التجريبية: والتي تجري داخل المختبرات العلمية حيث يقوم الباحثون باجراء تجارب علمية لتصنيع ودراسة خصائص المركبات الكيميائية
• الكيمياء النظرية: هذا الفرع من الكيمياء يستخدم في تطوير معادلات رياضية تستخدم لتخمين وفهم القياسات المختبرية وحساب الخصائص المختلفة في المركبات، اغلب علماء هذا الاختصاص يهتمون في ميكانيك الكوانتم التي تستخدم فيه معادلة شرودينكر لحساب جميع الخصائص الفيزيائية للمركبات الكيميائية التي يمكن قياسها مختبريا. ثم كتابه هذه المعادلات بالاستعانه بمهندسين برامجيات على شكل برامج يمكن استخدامها من قبل الكيميائيين الحسابيين.
• الكيمياء الحسابية: هذا النوع من الكيمياء يكون مستخدميه هم الكيميائيين الحسابيين، حيث يقوم هؤلاء بفهم المعادلات التي استخدمت في البرامجيات التي كتبت من قبل الكيميائيين النظريين واستخدامها لتفسير النتائج المختبرية، هذا النوع من الكيميائيين يتوجب عليهم فهم الكيمياء النظرية والكيمياء التجريبين بشكل جيد لغرض معالجة المشاكل التي تطرح عليهم من قبل الكيميائيين التجريبيين. حيث ان هناك انواع كثيرة جدا من المعادلات وضعت كل من هذه المعادلات لغرض محدد ولتفسير ظواهر كيميائية محددة. لا يمكن للكيميائي النظري او التجريبي ان يستخدم هذه البرامج مباشرة لانه سوف يقوم بتفسير خاطئ للأرقام والظواهر.

كما ان للكيمياء التجريبية تخصصات مثل (الكيمياء الفيزياوية، والكيمياء اللاعضوية، والكيمياء العضوية، والكيمياء الحياتية) فان الكيميائيين الحسابيين ايضا يتخصصون في احد هذه المجالات ايضا. فالكيمياء الحسابي في اللاعضوية يعمل مع الكيميائيين التجريبين في هذا الاختصاص لغرض تفسير النتائج المعقدة الناتجة من قياسات مختبرية لانظمة كيميائية معقدة محضرة لاول مرة. حيث ان اساسيات الكيمياء ليست كافية لان تعطي صورة واضحه عما يجري في اناء التفاعل كما لايمكنها التعرف عن البنية الهندسية والتركيب الالكتروني للمركب المحضر حديثا. في حين الكيمياء الحسابية تقوم بعمليات حسابية معقدة بحيث تجري تكاملات غاية في التقدم لكل الكترون داخل الجزيئة الالكترونية وتعطي حل يمكن مقارنته بالنتائج التجريبية. بمعنى اخر تعيد انتاج النتائج المختبرية من خلال اجراء حلول رياضية متقدمة. هذا يعتبر اعظم انجازات العلم الحديث الذي توصل الى وضع حلول غاية في التعقيد لتفسير الظواهر الكيميائية المعقدة من خلال ميكانيك الكونتم والميكانيك الكلاسيكي.

ان اجراء الحسابات الكمية هذه ليست بالامر البسيط، حيث ان برنامج ميكانيك الكم لا تشبه اي من البرامج الحاسوبية العادية، حيث ان المستخدم يجب ان يكون على المام كامل بميكانيك الكم الحديث وميكانيك نيوتن الكلاسيكي والكيمياء التجريبية بشكل عام. لان اكتمال الحسابات بنجاح لا يعني انك حصلت على الخصائص والارقام الصحيحة، حيث اننا نجري الكثير من الحسابات الناجحة ولكنها ليست لها معنى كيميائي لذلك نقوم باهمالها عندما لا توافق التجربة او ليس لها صلة بالواقع. ان هذه هي من اكثر المشاكل التي يقع فيها الهواة من الكيميائيين التجريبين عندما يقرر ان يجري حسابات في هذه البرامج وليس لديه فكرة عامة على الاساس الرياضي (النظري) التي بنيت عليه الدوال الرياضية في هذه البرامج. كما ان العمليات الحسابية تتطلب اوقات مختلفة تعتمد على حجم النظام، فكلما ازدادت عدد الذرات يعني ازدادت عدد الالكترونات في النظام وهذا يعني ازدياد عدد التكاملات الرياضية المعقدة التي تجري على كل الكترون في هذا النظام. ففي بعض العمليات الحسابية تتطلب حل جزيئة واحدة أشهر كاملة في حواسيب متقدمة الاداء في حيث الانظمة الصغيرة التي لا تتجاوز عشرات الذرات يمكن اجرائها في الحواسيب الشخصية.

ادناه بعض البرامج الشائعة الاستخدام في اجراء الحسابات الكيميائية وكذلك روابط البرامج حيث بالنقر عليها يمكنك الانتقال الى الصفحة الرسمية للبرنامج ومن خلاله يمكن التعرف أكثر على خصائص هذا البرنامج. يمكن تقسيم البرامج الى نوعين اعتمادا على نوع النظام المراد اجراء الحسابات علية وهي البرامج المستخدمة على الأنظمة الجزيئة وبرامج حسابات الجزيئات في الحالة الصلبة. حيث ان هذه البرامج تختلف في طرق التقريب, في الجزيئات او المركبات الكيميائية المعزولة تكون دالة الموجة متوقعة بينما في الحالة الصلبة تكون دالة الموجة غير متوقعة.

1. Dalton: https://www.daltonprogram.org/
2. ADF: https://www.scm.com/doc/ADF/index.html
3. CASTEP: http://www.castep.org/
4. GAMESS: https://www.msg.chem.iastate.edu/gamess/
5. Gaussian: https://gaussian.com/
6. MOLCAS: https://www.molcas.org/
7. NWChem: https://www.nwchem-sw.org/
8. ORCA: https://www.orcasoftware.de/
9. Quantum ESPRESSO: https://www.quantum-espresso.org/
10. VASP: https://www.vasp.at/