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探索分子建模实践在信息化时代下的创新之路

2019-12-28 329 上传者：管理员

摘要：在化学、生物学和材料科学领域分子建模得到了广泛应用。在信息化时代，计算机技术的飞速发展，为分子建模提供了新的实践路径，本文将就此展开探究并提出创新路径。以期促进分子建模实践。

关键词：
信息化
分子建模
创新路径
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1、引言

在信息化时代，分子建模已成为科研人员必须要掌握的一项技能和手段。然而，美国科学院院士林家翘也说过：“单凭先进的高速计算机而没有足够的科学分析，不可能解决任何问题。”在计算机技术高速发展的今天，如果在分子建模过程中没有科学的预处理，在计算机内输入的是无效数据，那么最终得到的也只能是无效结果。因此，在信息化时代，还应该以科学的方法和创新思维来实现分子建模的路径创新。

2、分子建模的概念

分子建模随着计算机在科研领域的应用而发展起来，是指在充分利用计算机越来越强大的图形显示和数据处理功能的基础上，对分子体系及其相互作用进行模拟、计算和分析，以解释实验现象或指导、预测新实验的开展；简而言之，就是利用计算技术和理论方法，模拟分子运动的微观行为，单个化学分子、生物体系和材料体系都在其研究范围之内。分子模拟可分为解释型和预测型两种工作类型。所谓解释型工作就是通过模拟对现象、机理进行解释和探讨，为实验奠定理论基础。预测型工作是对材料的性能进行预测，对过程进行筛查，并在此基础上为实验提供可行性方案设计。

3、分子建模的意义

分子模拟广泛应用于多个学科领域。比如：化学领域的表面催化、内部机理研究等；石油化工领域的分子筛催化剂结构、合成分析，高分子链聚合物的结构构建，机械性质、共混行为等重要性质的预测；材料学领域结构与性能研究；药物设计领域病毒、药物的作用机理研究；生物科学领域蛋白质的多级结构与性质表征等。此外，与传统的实验试错方式相比，分子建模可以大大减少资金投入，缩短实验时间。而将计算化学和建模工具应用于教学，也可以提高学生的学习兴趣，使其更直观地理解现实中的化学概念。

4、信息化时代分子建模实践路径创新方法

4.1 多尺度模型

2013年的诺贝尔化学奖被三位美国科学家领取，他们通过计算机分子模拟的方法对蛋白质分子的运动、酶催化反应机理进行研究，在“发展多尺度模型研究复杂化学体系”上做出了巨大贡献。多尺度模型即针对复杂的分子体系，从电子、原子、分子等不同层面进行分子模拟，不仅能详细呈现化学反应过程，还能模拟大型生物的大分子体系。

自然界物质由分子构成，构成分子的原子可分为原子核与核外电子。共价键将原子连在一起，当核外电子迁移，使共价键生成或断裂时，化学反应就发生了。对分子的结构和运动特点的精准认知，有两个难点需要突破：一方面，这些粒子都很微小，且化学反应发生速度很快，极难观测；另一方面，微观粒子的运动遵循量子力学原理，具有波粒二象性，其位置和速度不能同时准确地测量。

计算机可以将微小的分子在屏幕上呈现，而相对量子力学来说更为简单直观的分子力学的创立，使粒子的运动可以通过计算机来具体呈现。分子力学的关键在于分子力场（force field），即用于计算分子体系总能量的势函数（potential function）。如今的分子动力学模拟体系，包含的原子数量可以多达数百万个，时间可以精确到微秒甚至毫秒。而化学反应因为涉及电子迁移，属量子力学范畴，受当前对量子力学的认知不足所限，其相关研究无法有效推进。基于计算机技术的多尺度分子模拟技术可以有效解决这一问题。

多尺度分子模拟技术即把一个大体系细分为三个区域。核心区域为QM区域，包含直接参与化学反应过程的原子，可反映原子间共价键的断裂、形成和键角、位移的变化等化学过程。紧邻核心区域的部分称为MM区域，采用MM力场进行计算。离核心区域较远的部分为电介质。

4.2 反向建模方法应用

在面对复杂体系和化学反应时，分子建模因为人类科研水平的局限会存在误差大、精度低的问题。利用实验数据反向建模，可以提高建模精度，避免因系统假设和简化而造成的误差，最大程度地将系统的动态特性真实呈现。反向建模指的是，在正向建模的基础上，通过结果推断原因，合理选用已有的数据源，再通过与粒子群优化算法、辨识理论、残差分析、偏最小二乘法分析、数据挖掘技术等方法结合运用，在计算机上输入大量相关数据，建立反应实际状况的数据模型。反向建模以数据中的隐含信息为研究对象，其本质就是数据建模，信息化时代大数据技术的发展成熟显然为其提供了极大的便利。

4.3 网络模式下分子建模

化学是一门研究物质的化学变化的学科，传统上以实验为主要研究手段。一项新的发现或发明往往需要巨大的人力、物力和资源的投入，这种传统的试错模式一直没有得到有效的改进，直到信息化时代到来，数据驱动范式出现。分子建模是十分复杂而又艰难的工作。比如要对一种蛋白质建模，一般需要十几年的时间才能建好。而在信息化时代，则可以依据严格的分子建模规则开发网络游戏，通过数以万计的参与者下载、试玩，在很短时间内完成蛋白质分子模型的建立。通过计算机、互联网，以程度数据模式将数量庞大的人群吸引到建模过程中来，大大缩短工作时间，这是信息化时代的独特优势。

5、结语

信息化时代为分子建模提供了新的实践路径，使复杂的分子建模工作大为简化，效率得以提高，人力、物力投入也大为减少，新材料、新技术的研发进程大大加快，应该予以重视。随着信息化技术的不断发展，相关的探索工作也须及时跟进。

参考文献：

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