Molekulaartehnoloogia

Molekulaartehnoloogia on teadusharu, mis moodustab arvuti abil matemaatilisi mudeleid ja kvantitatiivse analüüsi meetodeid, et analüüsida ja lahendada teaduslikke probleeme. Üldiselt kasutatakse arvutiprogramme ja arvutusmatemaatikat selleks, et lahendada probleeme erinevates teaduslikes valdkondades.

Molekulaartehnoloogia tegevusala erineb teoreetilisest ja laboratoorsest eksperimenteerimisest, mis on traditsioonilised teaduse ja inseneeria vormid. Ühe molekulaartehnoloogia haru, teadusliku modelleerimise korral leitakse teaduslikule probleemile lahendusi arvuti koostatud matemaatiliste mudelite analüüsimisel.

Teadlased ja insenerid arendavad arvutiprogramme ja rakendustarkvara, mida modelleerijad kasutavad, ning käitavad neid programme sisestusparameetrite kogumike ehk algandmetega. Mõnel juhul nõuavad need mudelid mahukaid arvutusi (näiteks ujukomaarvud) ning tihti kasutatakse selleks superarvuteid või hajusarvutuste platvorme.

Numbrilised analüüsimeetodid on oluliseks toetuspunktiks tehnikatele, mida kasutatakse molekulaartehnoloogias.

Molekulaartehnoloogia valdkonnad

Põhilised molekulaartehnoloogilised valdkonnad on järgmised.

Numbrilised simulatsioonid

Kindla sündmuse taastamine ja mõistmine (näiteks taastatakse maavärinad, tsunamid ja teised looduskatastroofid).
Tuleviku või määramatuks jäänud situatsioonide ennustamine (näiteks ilm, aatomist väiksemate osakeste käitumine).

Mudel-sobivus ja andmetöötlusanalüüs

Mudelite sobiv täiustamine või võrrandite lahendamine, et jäljendada vaatlusi või teemasid mudeli kitsendamiseks (näiteks õli geofüüsikaline uurimine, arvutuslingvistika).
Graafiteooria mudeli kasutamine võrgustiku koostamiseks (näiteks kontaktis olevate indiviidide, organisatsioonide, veebikeskkondade ja bioloogiliste süsteemide koostamine).

Arvutuslik programmeerimine
Tuntud tegevuste (näiteks tehniliste ja tööstuslike protsesside) optimeerimine.
Tehnika arendamine.

Meetodid ja algoritmid

Molekulaartehnoloogias kasutatavad algoritmid ja matemaatilised meetodid on mitmekesised. Tavaliselt kasutatavad meetodid sisaldavad järgmisi tehnikaid: 
arvutusmatemaatika;
Taylori rida lähenevate ja asümptootiliste seeriate korral;
tuletise leidmine automaatsel difereerimisel (AD);
tuletise leidmine lõplikul difereerimisel;
graafikuteooriad;
kõrgkorrastatud diferentsiaali ligikaudne leidmine Taylori rida või Richardsoni ekstrapoleerimist kasutades;
integraali leidmise meetodid: ristkülikumeetod (ühtlasi tuntud keskpunktireeglina), trapetsireegel, Simpsoni reegel; 
Runge Kutta meetodid, lahendamaks tavalisi diferentsiaalvõrrandeid;
Monte Carlo meetodid;
molekulaardünaamika;
optimeerimine;
kombineeritud optimeerimine;
lineaarsed arvutused;
faktorite leidmine Gaussi elimineerimismeetodil;
Cholesky dekompositsioon;
diskreetne Fourier teisendus ja kasutamine;
Newtoni meetodid;
diferentsiaalvõrrandite numbrilised lahendusmeetodid dünaamiliste süsteemide puhul.

Molekulaartehnoloogias kasutatakse matemaatiliste aspektide kirjeldamiseks erinevaid programmeerimiskeeli ja arvuti algebrasüsteeme, sealhulgas R (programmeerimiskeel), TK Solver, MATLAB, Mathematica, SciLab, GNU Octave, Python (programmeerimiskeel) koos SciPy ja PDL-ga. Kõige tihedamini molekulaartehnoloogias kasutatavad keeled on C (programmeerimiskeel) või Fortran ja optimeerimisel kasutatavad arvutuskogumikud nagu BLAS või LAPACK.

Molekulaartehnoloogias modelleeritakse tihti päris maailmas toimuvaid muutusi, näiteks ilma muutumist, õhu liikumist ümber lennuki, autoõnnetuses tekkivaid kahjustusi, tähtede liikumist galaktikas, plahvatusohtlike seadmete käitumist ja palju muud. Sellised programmid loovad arvuti mällu loogilise järjekorra, kus igale kirjele vastab kindel ala, mis vastavalt mudelile sisaldab infot selle ala kohta. Näiteks ilmaennustusmudelites võib igale kirjele vastata ruutkilomeeter selle maa pinnamoodiga, hetke tuulesuunaga, õhuniiskuse, temperatuuri, rõhu ja muuga. Programm saab arvutada, mis on tõenäoliselt järgnev olukord, sõltuvalt hetkeolukorrast, kindlaksmääratud ajasammuga, lahendades võrrandeid, mis kirjeldavad, kuidas süsteem opereerib, ning seejärel kordab protsessi, et arvutada järgmine samm.

Molekulaartehnoloog on inimene, kes tegeleb teadusliku programmeerimisega. See inimene on üldjuhul teadlane, insener või rakendusmatemaatik, kes tegeleb kõrgema programmeerimisega, et välja töötada ajakohaseid programme, mis sobiksid kasutamiseks füüsika, keemia või inseneeria vaatenurkadest. 
Teaduslik programmeerimine avaldab üha enam mõju ka teistes valdkondades, sealhulgas majanduses, bioloogias ja meditsiinis. 
Molekulaartehnoloogia on tavaliselt liigitatud teaduse kolmandaks viisiks, eksperimentaalse/vaatlusliku ja teoreetilise osa täiendamiseks. Molekulaartehnoloogia põhiolemuseks on numbriline algoritm ning matemaatiline programmeerimine. Sealhulgas on molekulaartehnoloogias oluline osakaal algoritmide arendusel, programmeerimiskeelte tõhusal kasutamisel ja tulemuste valideerimisel. Molekulaartehnoloogiliste probleemide ja lahenduste kogumikud võib leida publikatsioonist Steeb, Hardy, Hardy and Stoop, 2004.

Arvutuste usaldusväärsus ja reprodutseerimine

Molekulaartehnoloogiliste meetodite keerukus on ohuks uurimuse reprodutseerimisele. Jon Claerbout on kerkinud esile arvamusega, et korratav uurimus nõuab kõigi kasutatavate andmete ja koodide, mis on viinud tulemuseni, arhiveerimist ja dokumenteerimist.[ Nick Barnes on teinud Science Code Manifestos ettepaneku viiele printsiibile, mida võiks järgida, kui on kasutatud avalikus teaduspublikatsioonis mõnd tarkvara. Tomi Kauppineni eestvedamisel avaldati ja defineeriti Linked Open Science'is lähenemine teaduslike väärtuste ühendamiseks, et võimaldada läbinähtav ja reprodutseeritav teadustöö.

Ajakirjad

Enamik teadusajakirju ei võta vastu tarkvaraartikleid, põhjendades seda väitega, et mõistlikult valminud tarkvara ei ole üldiselt piisavalt uudne. Arvutiteaduse väliselt on vaid mõned ajakirjad pühendunud teaduslikule tarkvarale. Traditsioonilised ajakirjad, nagu Esevier’s Computer Physics Communications avaldavad artikleid, mis ei ole avatud juurdepääsuga (kuigi artiklites kirjeldatud tarkvara tavaliselt on). Selle lünga täitmiseks kuulutati 2010. aastal välja uus ajakiri Open Research Computation, mis aga suleti aastal 2012, ilma et oleks ühtegi artiklit avaldatud. Ilmselt jäi liiga rangete kvaliteedinõuete tõttu puudu artikli esitajatest. Uus ajakiri Journal of Open Research Software asutati 2012. aastal.

Molekulaartehnoloogiline keemia

Molekulaartehnoloogiline keemia sai alguse fundamentaalsete avastuste ja teooriate tekkimisega kvantmehaanikas. Esimesed teoreetilised arvutused keemias tegid Walter Heitler ja Fritz London 1927. aastal. Molekulaartehnoloogilise kvantkeemia mõjukamad raamatud olid 1935 Linus Paulingi ja E. Bright Wilsoni "Introduction to Quantum Mechanics – with Applications to Chemistry", 1944 Eyringi, Walteri ja Kimballi "Quantum Chemistry", 1945 Heitleri "Elementary Wave Mechanics – with Applications to Quantum Chemistry" ja hilisem, 1952 Coulsoni "textbookValence"; kõigil neil on oma abistav roll järgmiste aastakümnete keemikute teadustöös. 
Selline areng oli võimalik tänu arvutitehnika edasiminekule 1940ndatel. Lainefunktsioonide väljatöötamine komplekssete aatomi süsteemide jaoks sai teostatavaks eesmärgiks. 1950ndatel tegid teoreetilised keemikud esimese poolempiirilise aatomi orbitaali arvutuse ning kasutusele võeti varajased digitaalarvutid.

Esimesed algelised Hartree-Fock arvutused kaheaatomilistes molekulides tehti 1956. aastal Massachusettsi tehnikainstituudis (MIT), kasutades väliskihi elektronorbitaalide põhifunktsioone. Kaheaatomiliste molekulprotsesside süstematiseeriva uurimuse avaldasid 1960. aastal Ransil ja Nesbet. Esimest korda tehti mitmeaatomilised arvutused 1950ndate lõpus, kasutades Gaussi meetodit. Esimesed konfiguratsiooni vastastikmõju arvutused tegid Boys ja tema kaastöötajad Cambridge’is EDSAC-arvutil, kasutades Gaussi orbitaale. 1971. aastaks, kui avaldati bibliograafia algelistest arvutustest, olid suurimad arvutatud molekulid naftaleen ja asuleen.

1964. aastal genereeriti Berkeley ja Oxfordi arvutitel Hückeli meetodi arvutustega molekuli sidemete kaugused alates butadieenist benseeni ja ovaleenini. Sellised empiirilised meetodid asendati 1960ndatel poolempiiriliste meetoditega (näiteks CNDO).

1970ndatel kasutati hulgaliselt algelisi arvutiprogramme, näiteks ATMOL, Gaussian, IBMOL ja POLYAYTOM, mis kiirendas algseid molekulorbitaalide arvutusi. Neist programmidest on tänapäeval kasutusel ainult Gaussian, mida on aja jooksul edasi arendatud. Samal ajal arenesid molekulaarse mehaanika meetodid, nagu MM2, enamjaolt Norman Allingeri eestvedamisel.

Terminit "molekulaartehnoloogia" hakati keemias kasutama 1970ndatel. 1970. aastatel võeti kasutusele uusi meetodeid, mida hakati liigitama molekulaartehnoloogilise keemia valdkonda. Esimest korda ilmus Journal of Computational Chemistry 1980. aastal.
Molekulaartehnoloogiline keemia on tõstetud esile mitmel Nobeli auhinna jagamisel, kõige märkimisväärsemalt 1998. ja 2013. aastal. Walter Kohn ja John Pople said 1998. aastal Nobeli auhinna vastavalt tihedus-funktsionaalse teooria arendamise ja kvantkeemia molekulaartehnoloogiliste meetodite arendamise eest. Martin Karplus, Michael Levitt ja Arieh Warshel said Nobeli keemiaauhinna 2013. aastal komplekssete keemiliste süsteemide mitmeskaalaliste mudelite arendamise eest.

Viited