HESAPLAMALI KİMYA (HESAPSAL KİMYA) NEDİR?

Kimya, yani madde bilimi, evrende ve tüm canlılardaki atomlar ve bunları birbirine bağlayan bağlarda süregelen karmaşık dönüşümleri  inceler. Klasik tanımı ile kimya bir laboratuvar bilimidir ve laboratuvarsız kimya düşünülemez. Hesaplamalı kimya ise, fizik prensiplerinden (kuantum mekanik, moleküler mekanik, moleküler dinamik) türetilmiş matematiksel denklemleri (teorik kimya yöntemleri) kullanarak kimyanın bilgisayar ortamında atomik ve moleküler boyutta modellenmesidir. Bilgisayar teknolojisindeki ve algoritmalarındaki hızlı gelişmeler hesaplamalı kimya alanının da çok hızlı bir şekilde ilerlemesini sağlamıştır ve laboratuvar deneyleri yapmadan da kimya araştırmaları mümkün hale gelmiştir. Hesaplamalı kimya yöntemlerinin kurucuları  olan John Pople ve Walter Khan’ın 1998 yılında Nobel ödülüne layık görülmelerinin sebebi bu alanda bilime ve insanlığa açtıkları yeni ufuklardan dolayıdır.

 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1998/

 

HESAPLAMALI KİMYA NE İŞE YARAR?

Kimyasal değişimler olurken moleküllerdeki bazı bağlar kırılır yerine yeni bağlar oluşur. Bağ kırılmaları ve oluşmaları femto saniye  (saniyenin 10-15 katı) mertebesinde gerçekleşen çok çok hızlı olaylardır. Bu kadar hızlı değişimleri izleyebilecek deneysel yöntemler ve cihazlar henüz kullanımda değildir ve bilim dünyasının yoğun bir şekilde üzerinde çalıştığı zor ve önemli problemlerden biridir. Bunun göstergesi olarak, 1999 yılı Nobel ödülü femtokimya alanındaki çalışmalarından dolayı Mısırlı bilim adamı Ahmed H. Zewail’e verilmiştir.

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1999/illpres/

İşte hesaplamalı kimya bilgisayar teknolojisini ve teorik kimya prensiplerini kullanarak bu önemli ihtiyacı karşılar. Şöyle ki, hesaplamalı kimyayı bir kimyasal değişimin hızını 1015 kat yavaşlatarak izleyebilmemizi sağlayan bir video kamera;  aynı zamanda da atom ve molekülleri 109 kat büyüterek görmemizi sağlayan bir ultramikroskop olarak düşünebiliriz.

 Hesaplamalı kimya yöntemleri ile uzayda yıldızlararası boşlukta küçük moleküller arasında gerçekleşen tepkimeleri bilgisayar ortamında kolaylıkla taklit edebilir ve izleyebiliriz. Laboratuvarda deneysel tekniklerle yakalanması ve izlenmesi imkansız olan geçiş konumlarını (aktifleşmiş kompleks) bilgisayar ekranında görebilir hareketlerini izleyip tepkimenin nasıl gerçekleştiğini tüm detayları ile anlayabiliriz.

Canlılardaki tepkimeler ise çok büyük dev moleküller (proteinler, enzimler, DNA, RNA vs.) üzerinden  gerçekleştiğinden bunları modellemek çok daha karmaşık ve zordur. Çok zor olmasına rağmen bu kadar büyük moleküllerin değişimleri de modellenebilmekte ve bilim dünyasına (tıp, eczacılık, genetik, biyoteknoloji, biyoinformatik vs.) çok önemli yeni bilgiler kazandırmaktadır.  Bu nedenle, çok büyük moleküllerin modellenebilmesini sağlayan teorik yöntemleri geliştiren Martin Karplus, Michael Levitt ve Arieh Warshel 2013 yılı Nobel ödülüne layık görüldüler.

http://www.youtube.com/watch?v=csxKNLm2bhM

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/popular-chemistryprize2013.pdf

 

 

HESAPLAMALI KİMYANIN BUGÜNÜ YARINI

Hesaplamalı kimya günümüzde  hızla gelişen ve insanlığın merak ettiği birçok soruya cevap arayan önemli ve vazgeçilmez bir araç haline gelmiştir. İlk zamanlarda sadece deney sonuçlarını desteklemek ve açıklamak amacıyla kullanılan hesaplamalı kimya artık başlı başına yeni bilimsel bilgiler üretebilen, deneylere yol gösterebilen, maddenin yapısını ve etkileşimlerini anlayabilmemizi sağlayan ve keşfedebilen konuma ulaşmıştır. Günümüzde özellikle bazı alanlarda, hesaplamalı kimya ve modelleme olmaksızın yalnızca laboratuvar deneyleri ile hedeflenen sonuçlara ulaşmak imkansız gibidir. Örneğin, yalnızca belirli bir hedef enzime seçici olarak bağlanan, bu nedenle yan etkileri olmayan, etkinliği çok yüksek modern ilaçların keşfedilmesi moleküler modelleme ve bilgisayar-destekli mantıksal tasarım yöntemleri sayesinde mümkün hale gelmiştir.

Bilimsel literatürde hesaplamalı kimya ve molekül modelleme uygulamalarının geldiği noktaları gösteren  birçok örnek bulmak mümkündür. Örneğin Stanford Üniversitesinden V. Pande ve T. Martinez’in grubu kuantum dinamik simülasyonları ile yaşamın başlangıcının ön safhalarını taklit eden  “ab initio nanoreaktör” yapmayı başardılar. (Wang et al., Discovering chemistry with an ab initio nanoreactor, Nature Chemistry, 6, 1044–1048, 2014).  Aşağıda “Urey-Miller Nanoreactor Simulation” bağlantısındaki videoda yeryüzünün ilk zamanlarını temsil eden CH4, H2, H2O, CO, NH3 gibi çok sayıda küçük bileşiğin bulunduğu bir ortamda sıcaklık ve basınç etkisi ile canlıların yapı taşlarından biri olan alanin aminoasitinin nasıl oluştuğunu izlemek mümkündür.

Hesaplamalı kimya ve molekül modelleme hayal gücümüzü geliştirerek başarabileceklerimizin sınırlarını genişletmeye devam etmektedir. Diğer bazı reaksiyon simülasyonlarına aşağıdaki bağlantılardan ulaşılabilir.

Urey-Miller Nanoreactor Simulation

http://www.youtube.com/watch?v=WHQn03ZiqKY&spfreload=1

 

Nanoreactor Acetylene Polymerization

http://www.youtube.com/watch?v=uHav9AmUgbk

 

Nucleophilic Substitution SN1 and SN2 Reaction Mechanism Animations.

http://www.youtube.com/watch?v=TnY1S5IdVqI