ПРИРОДА
№ 1, 1999

.
Нобелевская премия 1998 года по химии

Д. Попл и У. Кон
.

Джон Попл (John A.Pople) родился в Бернеме (Великобритания) в 1925 г. Степень доктора философии по математике получил в Кембридже в 1951 г. В 1964 г. стал профессором химической физики в Университете Карнеги-Меллона в Питсбурге (США), а впоследствии - профессором химии в Северо-Западном университете (штат Иллинойс, США), в котором работает до сих пор.

Уолтер Кон (Walter Kohn) родился в Вене в 1923 г. С 1950 по 1960 г. занимал должность профессора в Технологическом институте Карнеги в Питсбурге (США), затем - в Калифорнийском университете в Сан-Диего. С 1979 г. работает в Институте теоретической физики (который возглавлял до 1984 г.) в Санта-Барбара (США).

Присуждение Нобелевской премии "за разработку компьютерных вычислительных методов квантовой химии и за развитие метода функционала плотности" - важное событие, свидетельствующее об особом признании целого направления науки, основная задача которого - создание базы и конкретных приемов проведения инженерных расчетов объектов микромира, прежде всего молекулярных. Что конкретно это означает?

Во все времена, что бы ни строили люди, от пирамид до Парфенона и от челна до линейного корабля, они старались действовать по принципу "сначала подумай, а потом делай". Такой подход, очевидно, обеспечивал максимальную экономию энергии и материала, используемого для реализации идеи.

На ранних этапах выбор наиболее рационального пути воплощения объекта в натуре базировался на разного рода эмпирических правилах, экспериментально установленных в результате многочисленных проб и ошибок. Затем появилось то, что называется наукой. Например, Архимедом были сформулированы научные основы учения о плавании судов. Хотя сам Архимед использовал открытый им закон сразу же для решения весьма конкретной и прозаической задачи об "уличении ювелира в краже золота", отпущенного на изготовление короны для сиракузского тирана Гиерона, непосредственно для кораблестроения достижение Архимеда было применено лишь в XVII в. в Англии. А.Дин удивил всех, прорезав в бортах строящегося линейного корабля амбразуры для пушек до спуска корабля на воду, а не после - как это делали раньше. Возможно, это был один из первых примеров применения фундаментальной науки к решению чисто инженерной задачи. С тех пор в макромире ничто не реализуется без предварительных расчетов. Конечно, проектировать новый механизм инженер-механик начинает не "от печки". Открытые в физике фундаментальные законы природы трансформируются во множество правил и формул, приспособленных для конкретных ситуаций. В наше время сведения, необходимые инженеру, "запаковываются" в программы для ЭВМ, в банки данных и др. Все это вместе взятое и относят к математическому инженерному обеспечению той или иной области прикладной деятельности.

Нет никаких оснований думать, что при проектировании химических процессов (реакций), результатом которых должно явиться создание новых материалов или лекарственных препаратов, при развитии нанотехнологий и создании так называемых молекулярных машин (например, устройств искусственного фотосинтеза или накопления энергии), человечество будет поступать каким-то другим способом. Уже алхимики пользовались разного рода эмпирическими правилами. Затем появился закон сохранения материального баланса, который позволил, зная реакцию, вычислить заранее количество желаемого продукта. Было создано много приемов количественного прогноза технологических процессов. Резко усложнились и представления о молекулах как об объектах: наряду с элементным составом в обиход прочно вошли структурные формулы и правила валентности, представления о молекулах как о геометрических структурах, понятия о распределении зарядов на атомах и "электронных облаках", об энергетических состояниях и закономерностях химических реакций разного типа. Все это стало возможным после создания квантовой механики и открытия таких важнейших законов как принцип Паули и др. Сразу же выяснилось, однако, что уравнение Шредингера, хотя его и нетрудно записать даже для молекулы из нескольких сотен атомов, решать "в лоб" бесполезно. При таком подходе полностью теряется ясность, т.е. возможность физической интерпретации результата в терминах сравнительно простых понятий, лежащих в основе разного рода модельных представлений о молекулярных объектах. Сами эти понятия образуют лексику того языка, который и используется при описании микромира.

Именно поэтому создание научных основ теории строения и свойств микрообъектов с самого начала шло не по пути чисто математического совершенствования способов решения квантовых уравнений, а по пути построения, с сохранением в своей основе базовых физических положений, удобных для практического использования качественных и количественных приемов и теорий, позволяющих проводить научный прогноз с достаточной степенью достоверности.

Достижения в этой области, которые и лежат в основе всей современной теоретической химии, уже неоднократно отмечались Нобелевскими премиями: за "исследование природы химической связи" (Л.Полинг, 1954), "фундаментальные работы по химическим связям и электронной структуре молекул" (Р.Малликен, 1966), "разработку теории протекания химических реакций" (К.Фукуи, Р.Хофман, 1981).

Что же сделали лауреаты этого года?

С именем Джона Попла связан прорыв в области создания методов вычислений, пригодных для прогноза свойств крупных молекул, в частности спектральных. Принципиальные затруднения состояли в том, что последовательный, достаточно строгий математический подход был практически не реализуем для больших молекулярных систем. Нужны были нестандартные решения, делающие задачу выполнимой не за счет совершенствования собственно вычислительной процедуры, а за счет радикального упрощения самой математической модели. Конечно, без потерь здесь обойтись нельзя. Однако можно с помощью максимально упрощенных математических моделей получать вполне разумные количественные результаты, если прибегнуть к калибровке параметров, сравнивая результаты расчетов с экспериментом, а затем воспользоваться принципом переносимости.

Этот принцип базируется на экспериментальном факте, что органические молекулы построены из определенных атомных группировок, достаточно хорошо сохраняющих свои свойства в ряду молекул. Математическая неточность вполне может быть скомпенсирована умелым подбором эмпирических параметров. Как написал выдающийся специалист в области квантовой теории молекул М.Дьюар: "Попл решил проблему трех-, четырехцентровых интегралов, оптимистически предположив, что ими можно просто пренебречь!" Для этого нужна смелость. Многие ортодоксально воспитанные теоретики просто психологически не могут сделать такой шаг. Они привыкли оценивать малость каждого из отброшенных членов, вклад их в окончательный результат. Конечно, это гораздо более строго, но в том-то и дело, что в области молекулярной теории следовать этому правилу сплошь и рядом нельзя. Уж больно сложен сам объект. Один из моих коллег (очень хороший физик-теоретик) выразился так: "Не люблю я молекулы. Какие-то они кривые!"

Разумеется, заслуга Попла не только в том, что он четырехцентровые интегралы выкинул. Его работы определили целую эпоху в квантовой химии. Они не только стимулировали появление большого числа так называемых полуэмпирических вычислительных методов, но и (что не менее важно) показали на какой методической основе должны вообще строиться физические теории, претендующие служить базой для количественных прогнозов строения и свойств сложных объектов молекулярного мира.

Благодаря работам Попла и других выдающихся исследователей сейчас стали возможны расчеты геометрических структур очень крупных соединений с точностью, не уступающей экспериментальной, но за ничтожно малое время. Это вычисления электрофизических характеристик (дипольные моменты молекул и внешние электростатические поля), прогнозы спектров в диапазоне от далекой ИК-области до УФ, изучение путей химических реакций и др. Во многих случаях такие расчеты уже относятся к категории инженерных. Появились понятия: "вычислительная химия" (есть журнал с таким названием), "молекулярное моделирование".

Главная заслуга Уолтера Кона состоит в следующем. Традиционные методы расчета, которые развивались, в частности, и Поплом, базируются на описании поведения каждого отдельного электрона: ему приписывается своя спин-орбиталь. А что делать, если электронов уж очень много? Например, при исследовании твердого тела, когда так называемый электронный газ заполняет все промежутки между ядрами? Пока в замкнутом пространстве находится всего несколько десятков хаотически движущихся частиц, еще можно "следить" за траекторией каждой из них. Ну, а если их миллионы? Тогда надо менять средства описания и вводить понятие давления и др.

Кон поступил именно так и предложил метод функционала плотности, в котором оперируют уже понятием плотности электронного газа, не детализируя поведение отдельных электронов.

Этот метод, первоначально применявшийся для расчетов свойств кристаллов, сейчас с успехом используется и для исследования молекул (правда, главным образом так называемых основных состояний). Методы молекулярных орбиталей (разработанные ранее Малликеном, Поплом и др.) и функционала плотности начали сближаться и перекрываться.

Область квантовых расчетов простирается сейчас от двухатомных молекул до полимеров, крупных биологически активных соединений, твердых тел. Появление таких возможностей следует считать важнейшим научным достижением.

Что же можно ожидать в дальнейшем?

Во-первых, будут продолжать совершенствоваться основанные на разных подходах методы расчетов свойств сложных молекулярных систем.

Во-вторых, непрерывно будут возрастать качество и возможности необходимого программного обеспечения для компьютеров. Параллельное развитие средств общения человека с компьютером и компьютерной графики сделают такие расчеты доступными даже школьникам старших классов. А возможность "заглянуть" внутрь молекулы, рассмотреть с разных сторон ее электронное облако, увидеть на экране дисплея колебания атомов - невероятно расширит наше понимание мира молекул и сделает его таким же обжитым, как и макромир.

В-третьих, будет быстро нарастать процесс создания на основе общетеоретических достижений специального инженерного математического обеспечения, опирающегося на упрощенные модели и методы, пригодные лишь для решения задач сравнительно узкого круга, но зато обеспечивающие получение результата за очень короткое время и с высокой достоверностью прогноза. Когда-то Малликен писал, что наступит такое время, когда химики сотнями, если не тысячами, пойдут не в лаборатории, а к вычислительным машинам. Конечно, и в XXI в. химики лаборатории не покинут. Но рядом с химической аппаратурой будут стоять компьютеры, и одни и те же люди будут заниматься как реальными, так и компьютерными экспериментами.

Переход на принципиально новый уровень методологии химического исследования требует не только развития теории, построения компьютерных программ, но и другого стиля обучения в школах и вузах. Громадную роль в этом как раз сыграли нобелевские лауреаты 1998 г.

XXI в. не случайно уже называют эпохой информатики. Страны будут выстраиваться в ряд не по признаку количества выплавленных тонн стали или произведенных тракторов, а - количества и качества программного продукта, обеспечивающего опережающее (по сравнению с натурными) проведение компьютерных экспериментов во всех направлениях человеческой деятельности.
.

Член-корреспондент РАН Л.А.Грибов,
Москва
.