КОМПЬЮ́ТЕРНОЕ МОДЕЛИ́РОВАНИЕ

КОМПЬЮ́ТЕРНОЕ МОДЕЛИ́РОВАНИЕ (ком­пь­ю­тер­ное экс­пе­ри­мен­ти­ро­ва­ние) в хи­мии, раз­дел нау­ки, в ко­то­ром на ос­но­ва­нии раз­но­го ро­да мо­де­лей хи­ми­че­ских сис­тем, про­цес­сов и яв­ле­ний рас­чёт­ным пу­тём про­гно­зи­ру­ет­ся ход и вы­яв­ля­ют­ся при­чин­но-след­ст­вен­ные свя­зи изу­чае­мых про­цес­сов или/и яв­ле­ний. Пред­став­ля­ет со­бой меж­дис­ци­п­ли­нар­ную об­ласть зна­ния, ис­поль­зую­щую для ре­ше­ния тео­ре­ти­че­ских и при­клад­ных про­блем хи­мии ме­то­ды мо­де­ли­ро­ва­ния ма­те­ма­ти­че­ско­го, реа­ли­зуе­мые но­вей­ши­ми вы­чис­ли­тель­ны­ми сис­те­ма­ми.

В ме­то­до­ло­гии мо­де­ли­ро­ва­ния ма­те­ма­тич. за­да­чи де­лят­ся на пря­мые, ко­гда по за­дан­ной мо­де­ли про­цес­са (яв­ле­ния) про­гно­зи­ру­ет­ся его ход и ис­сле­ду­ет­ся за­ви­си­мость его па­ра­мет­ров от ва­риа­ции па­ра­мет­ров мо­де­ли, и об­рат­ные, при реше­нии ко­то­рых на ос­но­ва­нии экс­пе­рим. дан­ных ли­бо соз­да­ёт­ся са­ма ма­те­ма­тич. мо­дель, ли­бо на­хо­дят­ся зна­че­ния оп­реде­ляю­щих её ве­ли­чин. Все при­чин­но-след­ст­вен­ные свя­зи фор­ми­ру­ют­ся ли­бо в фор­ме ал­геб­раи­че­ских или функ­цио­наль­ных со­от­но­ше­ний (не­пре­рыв­ная мо­дель), ли­бо в фор­ме счи­таю­щих­ся дос­то­вер­ны­ми вы­ска­зы­ва­ний ис­чис­ле­ний, напр.: «ес­ли есть яв­ле­ние А, то про­изой­дёт со­бы­тие В», при этом связь А и В не де­та­ли­зи­ру­ет­ся (дис­крет­ная мо­дель). При­ня­то на­зы­вать вто­рой под­ход ме­то­дом «чёр­ных ящи­ков»; ма­те­ма­тич. пра­ви­ла опе­ри­ро­ва­ния ими ус­та­нав­ли­ва­ют­ся бу­ле­вой ал­геб­рой и пре­ди­ка­тов ис­чис­ле­ни­ем. Ис­поль­зо­ва­ние дис­крет­ной или не­пре­рыв­ной мо­де­ли изу­чае­мо­го объ­ек­та свя­за­но как с при­ро­дой са­мо­го объ­ек­та, так и с тем, ка­кие за­да­чи ста­вит пе­ред со­бой ис­сле­до­ва­тель. Со­вер­шен­ст­во­ва­ние вы­чис­ли­тель­ной тех­ни­ки не толь­ко по­зво­ли­ло ус­ко­рить про­цесс по­лу­че­ния ре­зуль­та­та и ус­лож­нить за­да­чи, сде­лав их мно­го­па­ра­мет­ри­че­ски­ми, но и по­ста­вить и ре­шить прин­ци­пи­аль­но но­вые про­бле­мы. Раз­ви­тие средств об­ще­ния че­ло­ве­ка и ком­пь­ю­те­ра, осо­бен­но ком­пь­ю­тер­ной гра­фи­ки, спо­соб­ст­во­ва­ло ис­поль­зо­ва­нию для вос­при­ятия ре­зуль­та­тов рас­чё­тов важ­ней­ше­го ка­на­ла по­лу­че­ния ин­фор­ма­ции – зри­тель­но­го. Воз­ник­ла ра­нее от­сут­ст­во­вав­шая воз­мож­ность про­ве­де­ния опе­ре­жаю­щих вы­чис­ли­тель­ных экс­пе­ри­мен­тов, что по­зво­ли­ло рез­ко со­кра­тить по­иск наи­бо­лее ра­цио­наль­но­го пу­ти дос­ти­же­ния це­ли и ог­ра­ни­чить вы­бор объ­ек­тов и уст­ройств, наи­бо­лее при­год­ных для ре­ше­ния по­став­лен­ной за­да­чи. Это прин­ци­пи­аль­но ме­ня­ет всю ме­то­до­ло­гию ра­бо­ты с объ­ек­та­ми мо­ле­ку­ляр­но­го ми­ра и яв­ля­ет­ся ре­шаю­щим для соз­да­ния но­вых ма­те­риа­лов, ле­кар­ст­вен­ных пре­па­ра­тов, про­ек­ти­ро­ва­ния на­но­ус­т­ройств и на­но­ма­шин раз­но­го на­зна­че­ния и т. д.

Ус­лов­но мож­но вы­де­лить че­ты­ре на­прав­ле­ния К. м. в хи­мии: 1) тра­ди­ци­он­ное – тер­мо­ди­на­мич. рас­чё­ты хи­мич. ре­ак­ций, раз­де­ли­тель­ных про­цес­сов в хро­ма­то­гра­фии и др.; 2) по­иск свя­зей струк­ту­ра – свой­ст­ва; 3) кван­то­во­ме­ха­нич. рас­чё­ты осн. ха­рак­те­ри­стик ин­ди­ви­ду­аль­ных мо­ле­кул и эле­мен­тар­ных ак­тов, ме­ха­низ­мов ре­ак­ций и ки­не­тич. за­ко­но­мер­но­стей; 4) соз­да­ние экс­перт­ных сис­тем. При­ме­не­ние ком­пь­ю­те­ров для ре­ше­ния за­дач пер­во­го на­прав­ле­ния уве­ли­чи­ло вы­чис­ли­тель­ные воз­мож­но­сти, но тео­ре­тич. ба­за в осн. ос­та­лась преж­ней. Др. пе­ре­чис­лен­ные на­прав­ле­ния воз­ник­ли и на­ча­ли раз­ви­вать­ся в по­след­ней тре­ти 20 в. и объ­е­ди­ня­ют­ся об­щим тер­ми­ном «ма­те­ма­ти­че­ская хи­мия».

При вы­яв­ле­нии со­от­но­ше­ний ме­ж­ду струк­ту­рой ве­ще­ст­ва и его свой­ст­ва­ми гл. ма­те­ма­тич. сред­ст­ва­ми яв­ля­ют­ся ме­то­ды дис­крет­ной ма­те­ма­ти­ки, ис­поль­зую­щей ло­ги­че­ские опе­ра­ции: им­пли­ка­цию, ло­ги­че­ское ум­но­же­ние и др. По­лу­че­ние нуж­но­го вы­во­да обя­за­тель­но свя­за­но с пред­ва­ри­тель­ным «обу­че­ни­ем» ком­пью­те­ра с по­мо­щью ана­ли­за боль­ших, со­б­ран­ных в бан­ки дан­ных, мас­си­вов экс­пе­рим. фак­тов для сход­ных си­туа­ций. Хо­ро­шие ре­зуль­та­ты в про­гно­зи­ро­ва­нии свойств хи­мич. со­еди­не­ний дос­ти­га­ют­ся при ис­поль­зо­ва­нии ап­па­ра­та ней­рон­ных се­тей. Наи­боль­шее раз­ви­тие по­лу­чи­ло на­прав­ле­ние QSAR (ко­ли­че­ст­вен­ные со­от­но­ше­ния струк­ту­ра – свой­ст­ва). При­ме­не­ние ме­то­дов QSAR по­зво­ли­ло, в ча­ст­но­сти, на по­ряд­ки сни­зить ва­риа­бель­ность при по­ис­ке но­вых ле­кар­ст­вен­ных пре­па­ра­тов, что да­ёт очень боль­шой эко­но­мич. эф­фект.

Третье на­прав­ле­ние воз­ник­ло по­сле соз­да­ния кван­то­вой ме­ха­ни­ки и при­ве­ло к раз­ви­тию ко­ли­че­ст­вен­ной тео­рии разл. ти­пов мо­ле­ку­ляр­ных спек­тров и кван­то­вой хи­мии. Ре­аль­ные рас­чё­ты как спек­тров для раз­ных спек­траль­ных об­лас­тей и ус­ло­вий воз­бу­ж­де­ния, так и осн. ха­рак­те­ри­стик мо­ле­кул (про­стран­ст­вен­ное строе­ние, ди­поль­ный мо­мент, рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти и др.) и ме­ха­низ­мов хи­мич. ре­ак­ций ста­ли воз­мож­ны­ми не толь­ко в ре­зуль­та­те ин­тен­сив­но­го раз­ви­тия ма­те­ма­тич. ап­па­ра­та и вы­чис­лит. тех­ни­ки, но и в ре­зуль­та­те вы­бо­ра очень удач­ных фи­зич. мо­де­лей: ли­ней­ная ком­би­на­ция атом­ных ор­би­та­лей и др. При ре­ше­нии мн. про­блем нет ог­ра­ни­че­ний на раз­ме­ры объ­ек­тов и тип мо­ле­кул (ис­клю­чая ато­мы тя­жё­лых эле­мен­тов). Дос­ти­га­ет­ся дос­та­точ­но хо­ро­шее ка­че­ст­вен­ное со­гла­сие по­ве­де­ния мо­де­лей с по­ве­де­ни­ем на­тур­ных объ­ек­тов при разл. воз­дей­ст­ви­ях. Для ре­ше­ния на­уч. и тех­нич. за­дач и для под­го­тов­ки спе­циа­ли­стов раз­но­го про­фи­ля и уров­ня прин­ци­пи­аль­но важ­но сфор­му­ли­ро­вать про­бле­му соз­да­ния вир­ту­аль­но­го мо­ле­ку­ляр­но­го ми­ра, в ко­то­ром мож­но не толь­ко ге­не­ри­ро­вать мо­ле­ку­ляр­ные мо­де­ли, но и ими­ти­ро­вать их ре­ак­ции на са­мые раз­но­об­раз­ные воз­дей­ст­вия и про­во­дить боль­шой спектр ком­пь­ю­тер­ных экс­пе­ри­мен­тов, дос­та­точ­но близ­ко от­ра­жаю­щих ре­аль­ность. К это­му на­прав­ле­нию при­мы­ка­ют ме­то­ды т. н. мо­ле­ку­ляр­но­го мо­де­ли­ро­ва­ния, с по­мо­щью ко­то­рых на ос­но­ва­нии ре­ше­ния клас­сич. урав­не­ний дви­же­ния и эм­пи­ри­че­ских атом-атом­ных по­тен­циа­лов соз­да­ют­ся ани­ма­ци­он­ные кар­ти­ны по­ве­де­ния боль­ших ан­самб­лей час­тиц или оп­ре­де­ля­ют­ся про­стран­ст­вен­ные струк­ту­ры очень круп­ных сис­тем, вплоть до бел­ков. Ме­то­ды по­зво­ля­ют мо­де­ли­ро­вать про­цес­сы рас­тво­ре­ния, не­ко­то­рые ста­дии фер­мент-суб­стракт­ных взаи­мо­дей­ст­вий и мн. дру­гое.

Чет­вёр­тое на­прав­ле­ние за­клю­ча­ет­ся в раз­ра­бот­ке тео­рии и соз­да­нии дей­ст­вую­щих экс­перт­ных сис­тем. За­да­чей та­ких сис­тем яв­ля­ет­ся по­лу­че­ние од­но­знач­но­го вы­во­да на ос­но­ве ря­да экс­пе­ри­мен­тов, при­чём в ус­ло­ви­ях, ко­гда да­же вся со­во­куп­ность экс­пе­ри­мен­тов не яв­ля­ет­ся дос­та­точ­ной, и ба­зы зна­ний гл. за­ко­но­мер­но­стей, оп­ре­де­ляю­щих строе­ние и по­ве­де­ние изу­чае­мых объ­ек­тов. При этом ис­ход­ное чис­ло ги­по­тез мо­жет дос­ти­гать де­сят­ков мил­лио­нов. Сис­те­ма мо­де­ли­ру­ет про­цесс рас­су­ж­де­ний че­ло­ве­ка, де­лаю­ще­го ло­гич. вы­вод из ис­ход­ных по­ло­же­ний. Наи­бо­лее раз­ви­той яв­ля­ет­ся экс­перт­ная сис­те­ма «Structure Elucidation» для оп­ре­де­ле­ния струк­ту­ры не­из­вест­ных со­еди­не­ний. Сис­те­ма по­зво­ля­ет ана­ли­зи­ро­вать мо­ле­ку­лы, со­стоя­щие из не­сколь­ких де­сят­ков ске­лет­ных ато­мов. Она ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся фар­ма­цев­тич. фир­ма­ми при соз­да­нии но­вых ле­кар­ст­вен­ных пре­па­ра­тов. Сис­те­ма ак­ку­му­ли­ру­ет под­хо­ды и ме­то­ды трёх пре­ды­ду­щих на­прав­ле­ний, а так­же хи­мич. зна­ния (тео­рию строе­ния и др.).