Language
Country/Area
No result found
Phép thuật của nước: Làm thế nào để mô phỏng sự bí ẩn của nước bằng hóa học tính toán?
Nước, là một trong những chất quan trọng nhất trên trái đất, có những đặc tính vật lý và hóa học độc đáo rất quan trọng đối với sự tồn tại của sự sống. Kể từ khi phát triển hóa học tính toán, các nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng các mô hình toán học để mô phỏng hành vi của nước. Những mô hình này không chỉ dự đoán các tính chất vật lý của nước mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách nước phản ứng trong các môi trường khác nhau và đóng vai trò trong các sinh vật sống.
"Các tính chất của nước có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc phân tử của nó và những cấu trúc này có thể được mô phỏng và dự đoán thông qua các phương pháp hóa học tính toán."
Mô hình nước trong hóa học tính toán chủ yếu được sử dụng để mô phỏng các tập hợp phân tử nước, nước lỏng và dung dịch nước. Những mô hình này được xây dựng từ cơ học lượng tử, cơ học phân tử, dữ liệu thực nghiệm và sự kết hợp của các phương pháp này. Để bắt chước các đặc tính cụ thể của phân tử nước, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều loại mô hình khác nhau, thường có thể được phân loại theo ba chiều: (i) số lượng điểm tương tác được gọi là “địa điểm”, (ii) cứng nhắc hoặc linh hoạt, (iii) liệu mô hình có bao gồm các hiệu ứng phân cực hay không.
Trong mô phỏng nước, một cách tiếp cận phổ biến là sử dụng mô hình dung môi rõ ràng, tức là mô hình dựa trên các phân tử cụ thể. Ngược lại với các mô hình rõ ràng này, các mô hình dung môi tiềm ẩn cũng có thể được sử dụng, sử dụng mô hình liên tục để giải quyết hành vi của nước. Một ví dụ trong lĩnh vực này bao gồm mô hình dung môi COSMO hoặc Mô hình liên tục phân cực (PCM) hoặc thậm chí một số mô hình dung môi hỗn hợp.
Mô hình nước đơn giản
Mô hình cứng được coi là mô hình nước đơn giản nhất và dựa trên các tương tác không liên kết. Trong các mô hình này, các tương tác liên kết được xử lý ngầm thông qua các ràng buộc toàn cục. Tương tác tĩnh điện được mô hình hóa dựa trên định luật Coulomb, lực đẩy và lực phân tán được mô tả bằng thế năng Lennard-Jones. Các mô hình tiềm năng này, chẳng hạn như TIP3P (thế năng phân tử ba điểm có thể chuyển đổi) và TIP4P, được biểu thị dưới dạng:
E = ∑(kC * qi * qj / rij) + (A / rOO^12) - (B / rOO^6)
Trong đó kC là hằng số tĩnh điện, qi và qj là các điện tích riêng phần so với điện tích của electron và rij là khoảng cách giữa hai nguyên tử. Trong nhiều mô hình nước, thuật ngữ Lennard-Jones chỉ áp dụng cho tương tác giữa các nguyên tử oxy. Các thông số hình học của các mô hình nước khác nhau, chẳng hạn như khoảng cách OH và góc HOH, khác nhau tùy thuộc vào mô hình.
Mô hình hai và ba chữ số
Mô hình hai vị trí dựa trên mô hình SPC ba vị trí quen thuộc và có khả năng dự đoán các đặc tính điện môi của nước bằng lý thuyết chất lỏng phân tử tái chuẩn hóa vị trí. Mô hình ba chiều tương ứng với ba nguyên tử của phân tử nước và mỗi vị trí có một điện tích. Các mô hình ba chiều có hiệu quả tính toán và được sử dụng rộng rãi trong nhiều mô phỏng động lực phân tử.
"Các mô hình ba chiều phổ biến hiện nay, chẳng hạn như TIP3P, hoạt động tốt trong việc tính toán nhiệt dung riêng."
Ví dụ: mô hình SPC/E bổ sung hiệu chỉnh phân cực cho hàm thế năng, làm cho mật độ và hằng số khuếch tán của nước thu được tốt hơn mô hình SPC. Mô hình TIP3P được sử dụng rộng rãi trong trường lực CHARMM và được sửa đổi một chút trên mô hình ban đầu để phù hợp hơn cho việc mô phỏng các phân tử sinh học.
Mô hình linh hoạt và cứng nhắc
Mô hình nước SPC linh hoạt là mô hình nước ba chiều được tham số hóa lại. Không giống như mô hình SPC cứng nhắc, mô hình linh hoạt có thể mô tả chính xác mật độ và hằng số điện môi của nước trong mô phỏng động lực phân tử. Mô hình này được triển khai trong một số chương trình tính toán, chẳng hạn như MDynaMix và Abalone.
Mô hình nước bậc cao hơn
Mô hình bốn chữ số cải thiện sự phân bố điện tích của các phân tử nước bằng cách thêm một nguyên tử giả gần nguyên tử oxy của mô hình ba chữ số. Mô hình sớm nhất như vậy có thể bắt nguồn từ mô hình Bernal–Fowler vào năm 1933. Mặc dù mô hình này có tầm quan trọng về mặt lịch sử nhưng nó không tái tạo được các đặc tính chính của giếng nước.
Mô hình TIP4P được sử dụng rộng rãi trong phần mềm hóa học tính toán và đóng vai trò chính trong việc mô phỏng các hệ thống phân tử sinh học, trong khi các mô hình nước mới như mô hình OPC có thể mô tả chính xác hơn các tính chất điện của nước.
Sự phát triển của mô hình năm và sáu chữ số
Mô hình năm chữ số tuy có chi phí tính toán cao nhưng đã dần có những tiến bộ trong những năm gần đây với sự ra đời của mô hình TIP5P. Mô hình năm chữ số tái tạo tốt hơn hình học điều chỉnh độ sáng của nước và thu thập chính xác dữ liệu thực nghiệm. Mô hình sáu chữ số kết hợp tất cả các tính năng của các mô hình trước đây vào dữ liệu và được thiết kế đặc biệt để nghiên cứu các hệ thống nước và băng.
"Trong hóa học tính toán, mô phỏng nước không chỉ là một thách thức kỹ thuật mà còn là chìa khóa để hiểu được hoạt động của sự sống."
Chi phí tính toán và triển vọng trong tương lai
Chi phí tính toán của các mô hình nước tăng theo số lượng địa điểm. Đối với mô phỏng động lực phân tử, khi số lượng vị trí tăng lên thì số khoảng cách giữa các nguyên tử cần tính toán cũng tăng theo. Tuy nhiên, những mô hình này được phát triển không chỉ dưới dạng tường thuật toán học mà còn dưới dạng mô hình thu nhỏ về cách nước thực sự hoạt động trong tự nhiên. Khi công nghệ tiến bộ, liệu chúng ta có thể tìm ra những mô hình tiết lộ nhiều hơn những bí ẩn của nước trong tương lai gần không?
