《计算和量子化学》计算化学前言

计算化学的过去、现在和未来
发展： 以量子化学计算为代表的计算化学发展史。 以化工过程计算机控制为代表的化工过程自
动化发展史。 计算数学与分析化学相结合的发展Fra Baidu bibliotek。 计算机网络技术在化学信息收集方面的应用。
计算化学的过去、现在和未来
量子化学从二十世纪30年代初的理论奠基到 90年代末在计算技术与应用上的成熟，经历了漫 长的将近七十年。
瑞典皇家科学院颁奖文件评价:
John Pople has developed quantum chemistry into a tool that can be used by the general chemist and has thereby brought
chemist化ry i学nto不a 再new是e一ra 门where experiment and theory c纯an实wo验rk科to学get了her！in the exploration of
计算化学
前言
• 什么是计算化学(What?) • 为什么学习计算化学(Ｗhy?) • 计算化学的过去、现在和未来 • 如何学习计算化学 (How?)
什么是计算化学
二十世纪八十年代以来，先进的分析仪器的 应用、量子化学计算方法的进展和计算机技术的 飞速发展，对化学科学的发展产生了冲击性的影 响。其研究内容、方法、乃至学科的结构和性质 都在发生深刻的变化。
什么是计算化学
化学科学的体系和结构发生深刻变化。
对象： 宏观现象 微观本质 方法学： 描述、归纳 演绎、推理 理论层次：定性 定量 化学与物理学的界限在模糊，在理论上趋于 统一。 化学各分支学科的交叉；与其他学科相互渗 透。 带动生物、材料科学进入分子水平
与化学相关的的新领域不断涌现
什么是计算化学
如何学习计算化学
学习方法：以程序框图为主线
化学中 的问题
数学模型
公式算法
试算分析 输出结果
调试
编程
如何学习计算化学
常用的计算化学期刊及文献：
Computer Physics Communications Computers and Chemistry Computers and Chemical Engineering Computing and Science and Engineering Computing and Visualization in Science International Conference on Computers in Chemical Research
化学及与化学相关学科的发展促进了数学向 化学的渗透。
众多的数学工具应用于物理化学领域：
矩阵代数 复变函数 数理方程 数理统计 数值方法 群论 不可约张量法 李代数 非线性数学 模糊数学 分型理论与方法
数学与物理化学的交叉使有关的数学知识在 其他各化学分支亦得以应用。
狭义：量子化学 广义：计算化学是一个涉及多种学科的边缘学科
前景：
计算机网络技术进一步的发展 （1） 网上化学化工信息的检索。 （2） 计算机远程化学教学普及。
人工智能技术在化学领域中将快速发展 （1） 化学实验室仪器设备与材料的自动化管理系统； （2） 实验数据的计算机化收集管理与分析处理； （3） 化学数据库技术在分析化学实验室中的应用， （4） 各种计算机专家系统将大量开发和完善； （5） 虚拟现实化学实验室将会出现。
( MM )
的
综
分子动力学 合
(MD & MC) 分
合成路线 CAD
学
量子化学计算
析
数据采集、统计 分析及其它应用
化学 CAI
计算化学主 要研究内容
化学数据库（Data base）
分子结构库 晶体库 热力学数据库 药物库 高分子库 分子光谱、波谱图谱库 生物数据库（蛋白质、核酸、多糖库） 化学文献库 化学人工智能（需借助数据库）
计算机辅助分子结构解释 化学模式识别 结构－活性关系分析 (QSAR) 结构－性质关系分析 (QSPR) 神经网络算法与神经网络计算机
分子结构建模与图形显示
结构建模 确定各原子的初始空间排布
用计算机处理分子大多数作业的起点。 综合的计算机化学软件包均提供建模的友好界 面，并具备分子图形显示与结构参数分析功能。 可采用二维或三维方式建模，自动实现从二维 到三维的图形转换。
这是几代杰出理论化学家不懈努力的结果， 并得益与计算机和计算技术的巨大进步。
1998年诺贝尔化学奖的颁布是计算量子化学 在化学和整个自然科学中的重要地位被确立和获 得普遍承认的重要标志。
计算化学的过去、现在和未来
（瑞典皇家科学院在Web上发表的新闻公告）
John Pople’s Contributions
无机化学
有机化学 分析化学 物理化学 结构化学
软件 硬件
计算化学
化 学 计算机科学
工 程
数学
数值分析 统计 运筹学
拓扑学
石油化工 生化 药物
有机合成 选矿 高温冶金 材料科学
为什么学习计算化学
地位：
促进化学界的研究方法和工业界的生产方式 不断革新。
绿色化学和绿色化工的基础。
中科院院士徐光宪先生在其报告中称：“理 论化学和计算化学的基础及应用研究”是21世纪 化学的11个突破口之一。
the properties of molecular systems. Chemistry is no longer a purely experimental science.
Walter Kohn’s Contributions
瑞典皇家科学院颁奖文件评价:
Walter Kohn’s theoretical work has formed the basis for simplifying the mathematics in descriptions of the bonding of atoms, the density-functional theory (DFT). The simplicity of the method makes it possible to study very large molecules.
计算化学的过去、现在和未来
计算机在化学中的应用： 数值计算问题——计算化学的核心 非数值计算问题：字符处理
仪器 数据库 专家系统 文献、情报检索 图形学 辅助教学 CAI CMI 优化 模拟 管理
化学数据库 体
化学人工智能
系
数
分子 (材料)
据
CAD
分子结构建模
和
与图象显示
性
分子力学
质
计 算 化
计算机 分子模拟