第一章：计算机在化学中的应用概述

第一章计算机在化学中的应用概述

本世纪最重要的科技进步当属电子计算机的发明和发展了。从四十年代电子计算机在美国诞生起，它已经改变了包括各个科学领域在内的世界面貌。它带给人们快速巨大的冲击，使人们甚至来不及回顾我们身边的一切是如何发生发展的，它已经深入到我们身边的各个角落，并且发挥着越来越大的作用。计算机技术，特别是个人计算机的普及和计算机网络技术的发展，给人们带来的直接感受是工作质量和效率的大大提高，获取信息的能力和范围迅速扩大，并且开辟了许多原来可望而不可及的新领域。化学（包括其他相关学科）作为最早形成的基础学科，也是应用计算机技术较早的学科之一。同其他现代学科一样，目前计算机技术在整个化学学科的各个领域已经获得了广泛应用。无论是复杂的量子化学计算问题的解决，还是海量化学信息的收集与整理；也不论是原子、分子抽象的微观结构的图形化显示，还是多媒体辅助化学教学手段的开发；甚至在复杂化工过程模拟、化学过程的自动化和各类化学专家系统的实现方面，均与计算机技术的发展和推动紧密相关。驾御和掌握计算机技术在化学领域中的应用已经成为化学家的基本技能之一。计算机在化学领域中的应用技术也成为重要的独立学科。

1.1 计算机技术在化学领域的发展历史

计算机在化学中的应用已经有40余年的历史。起初计算机主要用于量子化学计算方面，也称其为计算化学。随着计算机技术在化学中应用领域的扩大，计算化学显然已经不能涵盖其所有内容，人们将其列入一个新学科—“计算机化学”（Computational Chemistry or Computer chemistry）, 但是更多的人将其称为“计算机在化学中的应用”（Computer Application in Chemistry）或者为“化学中的计算机技术”（Computer in Chemistry）。目前人们习惯于称计算机技术为信息技术（IT），与此相对应，“化学信息技术”也是目前常用的名称。在国际上已经将其视为一门新兴学科，有专门的学术组织，如美国化学会中有“计算机化学分会”（ACS Division of Computers in Chemistry），有专门的学术期刊，定期的学术会议等。其中“REVIEWS IN COMPUTATIONAL CHEMISTRY”杂志从1990年起已经出版了13卷。

计算机在化学中的应用历史基本上与计算机本身的发展同步。计算机技术在化学领域中的应用历史主要体现为以下几个阶段性标志：

1.以量子化学计算为代表的计算化学发展史。从50年代发展起来的、以计算机为主要工

具的量子化学、结构化学的从头计算、不同力场校正的半经验计算等将人类认识分子微观世界的能力大大提高。计算机的介入为将化学由实验科学向理论化发展做出了重大贡献。目前计算机的量子化学计算仍然是重要的研究领域之一。

2. 以化工过程计算机控制为代表的化工过程自动化发展史。以计算机化工控制系统为标

志，计算机的实时监测和交互控制大大提高了化学工业的水平，为将经典化学工业发展为现代化学工业奠定了基础。计算机化工控制系统已经成为化学工业结构改造与技术升级的重要内容。

3. 计算数学与分析化学相结合的发展史。傅立叶变换这种强大的数学技术是通过计算机才

能与分析化学技术相结合的。计算机化的傅立叶变换技术在红外、质谱和核磁共振波谱分析中的应用为人们获取分子的微观结构信息打开了方便之门，大大提高了分析速度和准确性。今天建立在计算机技术基础之上的傅立叶变换技术和其他数学方法正在加速其在分析化学领域中的普及速度。

4. 计算机网络技术在化学信息收集方面的应用。化学信息的庞大规模曾经使化学家花费大

量宝贵的时间去获得这些信息。基于计算机互联网络技术和智能化数据库技术的化学信息收集与检索体系，以及远程计算机登录技术为化学家与海量化学信息之间建立了高速

有效的桥梁和纽带，大大增强了人类获取信息的能力。正在逐步成为化学家获取化学信息的主要手段。

5. 计算机模拟技术在化学化工过程模拟中的应用。计算机仿真模拟技术从根本上改变了化

学实验技术。许多化学化工过程的高风险性和高消耗性，在一定程度上阻碍了化学学科的发展，基于现代计算机模拟技术的高温、高压、高险等化工过程模拟技术的发展加快了实验化学学科的发展并使化学科技成果的产业化过程加速。

6. 计算机智能化技术在化学专家系统中的应用。基于计算机强大逻辑分析与计算能力的人

工智能技术在加工处理化学知识方面起着重大作用。基于计算机智能化技术发展起来的专家咨询、决策、分析系统成为化学工业知识化，或者知识经济走向化学和化工领域的重要生长点。

从二十世纪四十年代电子计算机出现，起初人们对计算机的认识仅是它强大的计算能力。因此，计算机在化学中的应用也是从计算相当复杂的量子化学中起步的。计算机技术使过去难以解决的量子化学从头计算问题得以解决。五十年代人们通过薛定谔方程采用从头计算方法求解了氢分子的分子轨道方程，第一次从理论上得到分子轨道的空间结构。但是由于当时计算机计算能力的限制，对于其他较大分子的计算还需要经过简化的半经验方法，如NDDO(neglect of diatomic differential overlap)法、MNDO (modified neglect of diatomic differential overlap)、AM1(Astin mode 1)、PM3(parametric method 3)和ZINDO(Zerner INDO)等方法。随着计算机计算能力的迅速提高，目前人们已经可以用从头计算法计算分子量数以百计的较大分子的分子轨道参数。由于计算机的应用，其他需要强大计算能力的化学计算课题也在计算速度和计算精度方面获得空前提高。如诺贝尔化学奖获得者Hodgkin D.M.C.首先将计算机应用于分析X射线衍射图形和计算电子云密度图，为复杂大分子的结构分析提供了强有力的手段。在分析化学中最显著的例子是计算机技术使傅立叶变换方法在分析化学领域获得广泛应用，并取得极大成功。产生了新一代强大的红外光谱、质谱与核磁共振谱分析仪器。引入了计算机快速傅立叶变换技术后，可以从瞬态脉冲激励的衰减信号中获取频谱，因为在时域中采样速度比在频域中快成千上万倍，因此可以应用计算机累加技术在同样或更短时间内得到比稳态连续波技术高几个数量级的灵敏度，为扩大上述分析技术的应用领域奠定了基础。

网络技术是计算机技术发展过程中的又一个里程碑。计算机网络的发展成功地解决了化学领域的两大难题-海量化学信息的检索与共享和化学课题的远程计算问题。目前仅美国化学文摘（CA）就已经收摘了1500万篇左右的科技文献和2千多万种化合物的相关数据。如此海量的文献和信息，不借助计算机网络技术已经越来越难于管理和检索。为此，六十年代中期美国麻省理工学院等单位建立了局域文献联机检索系统，六十年代末期在美国开发成功全国性的联机检索系统-RECON，七十年代以来先后开发成功《DIALOG》，《ORBIT》，《STN》，《ISI》等国际性联机检索数据库。中国于1983年开始先后与上述网络连接进入联网检索系统。随着九十年代以来国际互联网络的迅速普及，上网联机检索手段也不局限于通过几个研究单位站点，上网手段趋向多样化，检索手段也从委托定题、定期检索发展到多种形式的终端型检索。目前借助于Internet网，进入DIALOG或者STN数据库可以直接获得绝大多数的化学文献和其他化学信息。同时有数百种著名科技期刊可以通过计算机网络进行全文检索和阅读，极大方便了化学信息的检索和收集。与此同时，计算机网络的发展也为大型计算机的共享使用提供有利条件。通过校园网和局域网，人们可以通过自己的个人计算机作为终端直接使用远程的大型计算机来解决自己的计算问题和共享数据资源。

强大的逻辑分析与交互控制能力使计算机在自动控制方面具有明显优势，计算机自动控制技术为化学和化工过程的自动化创造了有利条件。首先计算机应用于大型化工设备的中央控制系统当中，收集反馈信息，控制生产过程。随着计算机的普及与微型化，计算