计算机在化学中的应用

一．计算机技术对化学科学的影响

近年来化学学科的重要成就之一是计算机在化学中的应用。计算机与化学的结合促进了化学的发展。

化学发展的历史中，每次重大的进展都与新技术、新概念、新思想的引入密切相关。天平的引入把化学反应与量的概念联系在一起产生了分析化学；用物理方法研究化学产生了一系列新的边缘学科，至今还不断影响化学的发展。计算机与化学结合是化学学科发展的必然趋势，已在如下方面产生了影响：

1、 产生新的边缘学科：如计算机化学、化学计量学、计算分析化学、量子化学近似计算方法、有机化合物结构的拓朴表示方法等。

2、 促进理论化学的发展：理论化学的发展离不开计算机，大量的量子化学计算必须使用计算机。此外，复杂体系化学反应动力学，多组分的化学平衡等问题也只有依赖计算机才可能实现。

3、 促进实验数据处理方式与方法的发展：计算机在此方面的运用使化学工作者摆脱凭经验作图或表格的数据处理的落后的方式，得以采用以数理统计方法为基础的严格的数据处理，以便从中抽取更多重要信息，引导出新的结论。

4、 提高仪器测试精度和实验室的自动化程度：用计算机自动控制测试仪器，采集数据并处理数据是实验室使用计算机的重要方面，不但减轻了工作人员的劳动，避免了主观读数误差，还提高了测试的精度、灵敏度和数据采样频率，并加快了测试速度。

5、 加速情报交流：计算机文献检索大大提高了文献检索的效率。Internet的发展使全世界的信息交流进入新的历史阶段；专家系统和智能数据库与测试仪器的联机，可使测试样品与库存数据进行比较并作出结论。

6、 化工过程控制：通过生产参数的自动采集，由计算机进行处理，按最优化的方式控制生产设备，可以有效减少化工生产过程有毒、有害和危险性物质对操作人员的危害及提高产品产量与质量。

在其它方面，诸如计算机辅助教学、计算机辅助设计，计算机模拟等，对于科学研究、化学教育、实验室成果的工业化等方面都有广泛应用。

二、计算机技术在化学中应用的发展趋势

计算机科学是当前发展最为迅速的领域，也是最难以预测的领域。如同在20年前人们无法预测计算机网络技术对通讯领域发展的影响一样，今天同样难以预测的也包括计算机应用技术的发展，当然包括计算机技术在化学领域中的应用。未来将有哪些新的计算机技术出现？这些技术又将在哪些领域中获得发展？计算机应用技术将在哪些化学领域中取得突破？确实非常难以进行回答。然而对于计算机技术的发展趋势，特别是把握计算机技术在化学领域的发展趋势，了解其发展动态是必要的。因为它对我们把握现代化学发展方向，调整高等化学教育内容有相当大的影响。鉴于此，我们从当前已有的计算机技术发展动态和当前化学领域对计算机技术最迫切需求的领域两个角度，对计算机技术在化学科学中的发展趋势做以下推测：

1.在更复杂分子结构的精确计算方面将会加速发展

当前量子化学理论和结构化学计算方法都已发展到了相当高的程度，制约对更复杂、更大分子结构进行精确计算的主要因素仍然是计算机的计算能力。完成对这类复杂分子的化学结构计算和复合反应机理研究，需要向精密和高速计算方向发展，需要计算能力更加强大的超级计算机。可以预见，超级计算机的计算能力的发展，和计算机网络技术的发展，为从事该领域研究的科学家在更广的范围内使用性能更好的超级计算机，将提供更方便条件。因此，复杂分子结构计算研究将会在计算机技术的推动下得到更快的发展，并获取更加精确的结构信息，使结构化学计算走向实用化，达到指导化学实践的目的。有了精确结构信息作为基础，结构化学家将可能建立准确的分子结构与其物理、化学和生物性质之间的定量关系，使人类认识自然，特别是生物大分子的作用机制得到一个飞跃发展，有利于开发出新的药物和新型材料。结构化学计算的进一步发展还会推动包括分子设计在内的理论化学的实用化过程，使化学学科从一个实验科学走向理论科学。

除了计算机的计算能力之外，现代计算理论是发展复杂分子计算的必要前提。现代分子结构计算理论的建立依赖于数学方法研究、数学模型的建立和原子理论的发展深化。

2．计算机网络技术在化学各个领域中将得到进一步发展

计算机网络技术是近年来科技领域内的最大成果和突破，目前正以惊人的速度进人各个学科领域，极大地改变了各个领域的面貌，在化学科学中也不例外。计算机网络技术的介人将会使很多化学领域受益。

（l）化学信息的获得将更快、更准确

当前计算机网络技术已经成熟，目前需要急速发展的是拓展网络技术的应用。将来通过计算机网络不仅可以实现更加便捷的化学文献管理、检索，登录检索诸如CA、EI、SCI等大型化学信息检索数据库，而且可以通过Internet获取各种物理化学参数、波谱数据等数据性信息，化学材料和药品质量、供货商、市场行情等商业性信息，行业标准、政府法规等标准法规信息，化学教学课件、网上教材等教育信息及专利信息等。在不远的将来实验室常备的各种大部头手册和词典将不再需要，化学商品和原材料的购置销售也将被网络化的电子商务所取代。很显然，发展网上化学资源是目前重要的任务之—。当前网上图书馆、网上杂志等发展迅速，国内外都有很多化学杂志在网上发行或发行网络版，这些都会给化学信息的传输创造便利条件。

（2）计算机远程化学教学将越来越普及

计算机网络技术将改变目前的主要教学手段和观念。教室和教师的概念将被淡化，取而代之的将是不同于电视和广播的智能化的远程教学，考试将会是无纸化的并在网上进行。甚至出国留学的形式都将发生变化，从自己家里就可以通过网络就读世界上任何一所名牌大学将不再是梦想。计算机的交互作用、多媒体技术与网络通讯技术相结合，发展计算机远程化学教学将是21世纪化学教育的重要发展方向之一。目前该项技术本身已经相当成熟，开发应用软件和课件，扩大网络覆盖程度，建立网上教育体系是未来几年的主要任务。当前我国已有多所大学开始这种新的教育模式。它将代替传统的广播和电视教育，有可能从根本上改变现有的教育手段和教育观念。目前，我国高等教育正在推行的“精品课程建设”正是将优质教育资源共享的一项工程。