Hóa học tính toán lên ngôi

Phóng to

Tính toán bằng vật lý lượng tử được áp dụng cho phần quan trọng nhất, nơi các quá trình hóa học xảy xa. Phần kém quan trọng hơn được tính toán bởi vật lý cổ điển

Ba nhà khoa học này đã thiết lập phương pháp và xây dựng các mô hình tính toán cho các phản ứng hóa học, trên cơ sở kết hợp tính toán bằng cả vật lý cổ điển và vật lý lượng tử, ứng dụng được cho mọi loại phân tử và nhiều quá trình hóa học khác nhau. Điều này không chỉ giúp tăng hiểu biết chi tiết về các hiện tượng hóa học, mà còn được ứng dụng để tối ưu hóa các quá trình hóa học phức tạp như xúc tác, sản xuất dược phẩm và các pin mặt trời.

Lý thuyết hay thực nghiệm?

Hóa học là ngành khoa học thực nghiệm, điều được coi là hiển nhiên từ xưa đến nay, không chỉ đúng cho ngành hóa học hiện đại mà ngay từ thời giả kim thuật, mọi phản ứng hóa học cũng đều là các mày mò thực nghiệm. Trước đây, các nhà hóa học lý thuyết khi đưa ra một giả thuyết, cần đưa đến cho nhà thực nghiệm kiểm chứng. Sau một thời gian thí nghiệm, điều mà anh ta nhận được rất có thể là một câu quen thuộc: Lại sai rồi! Chỉ khi nào được thực nghiệm xác nhận thì giả thuyết mới được coi là đúng, tất nhiên là với những điều kiện biên cụ thể.

Nhưng ngày nay thì câu chuyện khác đi nhiều: khi một nhà thực nghiệm kiểm tra lại một tính toán lý thuyết, nếu thực nghiệm không xác nhận thì rất có thể nhà thực nghiệm phải kiểm tra lại thí nghiệm của mình.

Hóa học hiện đại là sự kết hợp của các tính toán lý thuyết và thực nghiệm. Trong các chương trình nghiên cứu lớn, các tính toán lý thuyết sẽ chỉ ra quá trình hóa học nào là khả dĩ, phản ứng nào là có thể xảy ra, xảy ra như thế nào, điều kiện nào là tối ưu... Tất cả những điều này được mô phỏng và tính toán trên máy tính trước. Sau đó các thực nghiệm mới được tiến hành. Nhờ sự kết hợp này mà thực nghiệm không còn phải mò mẫm như trước nữa. Đầu tư và công sức, do đó là chi phí, giảm đi rất nhiều, có thể lên đến 90% nhờ sự hỗ trợ của mô phỏng và tính toán lý thuyết.

Vì thế mà ngày nay không một khoa hóa hay một trung tâm nghiên cứu, một công ty dược phẩm lớn nào lại không có một bộ môn hóa học lý thuyết, mà chủ yếu tập trung vào hóa học tính toán.

Môn hóa học là ngành khoa học mà đối tượng nghiên cứu của nó là vật chất, và quá trình chuyển từ chất này sang chất khác thông qua các phản ứng hóa học. Như vậy, ở đây có hai câu chuyện cần nghiên cứu để thấu hiểu: các đặc trưng của các chất tham gia phản ứng ở trạng thái đầu và cuối, và chi tiết của quá trình chuyển đổi từ trạng thái đầu sang trạng thái cuối đó. Nói cách khác, có hai câu hỏi cần trả lời: “Cái gì?” và “Như thế nào?”. Hóa học thực nghiệm sẽ trả lời cho câu hỏi “Cái gì?” (cái gì tham gia phản ứng, cái gì tạo thành trong phản ứng). Hóa học tính toán trả lời câu hỏi “Như thế nào?”.

Vì sao vậy? Vì chi tiết của việc chuyển đổi này thường diễn ra nhanh như chớp, cỡ phần nghìn hoặc phần triệu giây. Đây là quá trình liên quan trực tiếp đến sự trao đổi hoặc phân bố lại các điện tử của các chất tham gia phản ứng. Sự trao đổi hay phân bố này diễn ra gần như tức thời, vì thế không có cách nào có thể quan sát được một cách chi tiết bằng thực nghiệm. Lúc này, cách duy nhất để hiểu được các quá trình này là sử dụng các tính toán và mô phỏng trên máy tính.

Phóng to

Vật lý cổ điển - biểu trưng bởi quả táo của Newton, và vật lý lượng tử - biểu trưng bằng con mèo của Schrödinger, có thể mâu thuẫn trong nhiều trường hợp nhưng nếu biết cách kết hợp lại với nhau thì lại tỏ ra hiệu quả trong các tính toán hóa học. Đó chính là cơ sở của các công trình được giải Nobel hóa học 2013

Lượng tử hay cổ điển?

Sự phát triển của vật lý học đầu thế kỷ 20 đã tạo ra một ngành mới: vật lý lượng tử. Đối tượng của vật lý lượng tử là các hệ vi mô, có thể coi gần đúng là các hệ có kích thước cỡ phân tử, nguyên tử trở xuống. Trước đó, khoa học được thống trị bởi vật lý cổ điển, ứng dụng cho các hệ vĩ mô, tức hệ thống có kích thước từ cỡ phân tử, nguyên tử trở lên.

Sự ra đời của cơ học lượng tử không chỉ khắc phục được nhiều khiếm khuyết của vật lý cổ điển trong việc nghiên cứu các hệ vi mô, mà còn mở ra một cách nhìn mới về bản chất của thế giới. Lần đầu tiên, lưỡng tính sóng - hạt, tức hai thuộc tính trái ngược nhau của vật chất, được thừa nhận đồng tồn tại. Sự chắc chắn của các phép đo và các định luật khoa học cũng chỉ mang tính thống kê. Chính vì lẽ đó, Einstein đã phản bác bằng câu nói nổi tiếng: Chúa không chơi trò xúc xắc!

Nhưng đóng góp của cơ học lượng tử với khoa học là cực kỳ to lớn. Ngay sau khi ra đời, chỉ trong vòng 15 năm, từ 1918-1933, cơ học lượng tử đã mang lại năm giải Nobel cho các nhà khoa học: M. Planck (1918), N. Bohr (1922), De Broglie (1929), W. Heisenberg (1932), E. Schrödinger và P. Dirac (1933).

Sự ra đời của vật lý lượng tử đã ảnh hưởng to lớn đến ngành hóa học lý thuyết, mà cụ thể là ngành hóa học tính toán, với nhiệm vụ trọng tâm là sử dụng các nguyên lý của cơ học lượng tử để tính toán các vấn đề của hóa học, như: năng lượng liên kết hóa học, phản ứng hóa học... Chính vật lý lượng tử đã đặt cơ sở cho ngành hóa học lượng tử trong suốt 75 năm qua.

Trước đó, ngành hóa học tính toán đã sử dụng vật lý cổ điển để thực hiện các tính toán lý thuyết. Tuy nhiên, các tính toán này chỉ dừng ở việc trả lời câu hỏi: “Cái gì?”, tức trạng thái đầu và cuối của phản ứng hóa học, thay vì “Như thế nào?”, tức tiến trình của một phản ứng hóa học thật sự xảy ra. Lý do thật đơn giản: vì vật lý cổ điển không phải là một khung lý thuyết dùng để mô tả các hệ vi mô, trong khi các phản ứng hóa học lại liên quan trực tiếp đến điện tử, một loại hạt vi mô.

Trên thực tế, phản ứng hóa học xảy ra có nguyên nhân trực tiếp từ việc trao đổi hoặc phân bố lại điện tử của các phân tử, nguyên tử tham gia phản ứng.

Như vậy, để mô tả được tiến trình của phản ứng hóa học, cách duy nhất là dùng các tính toán dựa trên cơ học lượng tử để mô tả. Tuy nhiên, việc này quá phức tạp và đòi hỏi một năng lực tính toán rất lớn. Thời gian để chạy các tính toán này, bằng máy tính lớn, thậm chí có thể lên đến hàng chục năm với các phản ứng liên quan đến các đại phân tử như các protein và enzyme. Vì thế, cần phải tìm ra cách nào đó để tối ưu hóa các tính toán này.

Phóng to

Để tìm hiểu cách thức lysozyme bẻ gãy mạch glycoside, việc mô phỏng sử dụng hóa học lượng tử chỉ tập trung vào phần quan trọng nhất (hình phóng to). Những phần còn lại được mô phỏng bởi cơ học phân tử hoặc cơ học môi trường liên tục (2)

Tối ưu hóa hiệu năng tính toán

Một trong các chiến lược để tối ưu hóa quá trình tính toán là thay vì tính toán sử dụng vật lý lượng tử cho toàn bộ phân tử lớn và phần môi trường liên hệ, việc tính toán sẽ chỉ tập trung vào các điện tử trực tiếp tham gia các phản ứng hóa học và các vùng thuộc phân tử mà tại đó phản ứng hóa học xảy ra hoặc có liên hệ trực tiếp. Ở những nơi khác, và ở cả môi trường xung quanh, việc tính toán dựa trên mô hình của vật lý cổ điển.

Điều này được thực hiện lần đầu vào những năm đầu thập niên 1970. Khi đó, Martin Karplus ở Đại học Harvard đã phát triển một chương trình máy tính cho phép mô phỏng một số phản ứng hóa học trên cơ sở các tính toán sử dụng cơ học lượng tử.

Cùng thời gian đó, Arieh Warshel - nghiên cứu sinh tại Viện khoa học Weizmann (Israel), và Michael Levitt, sinh viên sau đại học của Đại học Cambridge được gửi qua Weizmann hợp tác nghiên cứu, cùng là sinh viên dưới sự hướng dẫn của GS Shneior Lifson, đã phát triển một chương trình tính toán đột phá, sử dụng vật lý cổ điển, có khả năng mô phỏng hầu hết các loại phân tử khác nhau, kể cả các đại phân tử trong các hệ sinh học.

Năm 1970, Arieh Warshel gia nhập phòng thí nghiệm của Karplus sau khi bảo vệ luận án tiến sĩ và mang theo chương trình tính toán của mình. Kết hợp hai chương trình tính toán này lại với nhau, Karplus và Warshel đã tiến hành những tính toán đầu tiên sử dụng chiến lược kết hợp vật lý cổ điển và vật lý lượng tử để tính toán các phản ứng hóa học. Bài báo đầu tiên của họ theo hướng này được công bố vào năm 1972, đánh dấu sự ra đời của một hướng khoa học mới.

Sau khi ở Harvard hai năm, Arieh Warshel trở lại Israel và làm việc lại cùng với Levitt. Họ đặt mục tiêu rất cao: tính toán cho các phản ứng có sự tham gia của enzyme (vì enzyme chính là tác nhân điều phối các phản ứng hóa học trong các cơ thể sống), mô phỏng và tính toán cơ chế của các phản ứng sinh hóa trong cơ thể sống!

Năm 1976, cả hai công bố bài báo đầu tiên về việc sử dụng máy tính để mô phỏng các phản ứng hóa học có sự tham gia của enzyme. Chương trình máy tính mà họ phát triển để tính toán thật sự là một cuộc cách mạng lúc đó, vì có thể sử dụng cho mọi loại phân tử khác nhau và đặc biệt kích thước phân tử không còn là hạn chế đối với các tính toán nữa. Từ đó, việc tính toán bằng cách kết hợp cả vật lý cổ điển và vật lý lượng tử bước sang một giai đoạn mới.

Chiến lược này tiết kiệm được năng lực tính toán rất nhiều, vì thế trở nên khả thi trên thực tế. Điều thú vị và làm nên sức mạnh của chính phương pháp này là nó được dùng như một phương pháp tính toán đa năng và ưu việt: cho phép tính toán cho mọi quá trình hóa học khác nhau, từ các phản ứng trong công nghiệp đến các quá trình hóa sinh trong cơ thể sống.

Với sự phát triển của khoa học máy tính, cả phần cứng lẫn phần mềm, tương lai của hóa học tính toán đang rất xán lạn. Mục tiêu của hóa học tính toán cũng đầy tham vọng, như trong một phát biểu của GS Levitt: mô phỏng sinh vật sống ở cấp độ nguyên tử!

Liệu mục tiêu này có thể đạt được? Chỉ thời gian mới có thể trả lời.

(1): Từ phần này trở đi, bài viết có sử dụng tư liệu và hình ảnh của ủy ban xét giải Nobel hóa học 2013: nobelprize.orrg.

(2): A. Warshel and M. Levitt, J. Mol. Biol. 103, 227, 1976.