כימיה חישובית

הכימיה החישובית מיישמת את המודלים המתמטיים והפיזיקליים לתיאור תהליכים ומצבים כימיים, שפותחו במסגרת הכימיה התאורטית, בתוכנות מחשב שנועדו לפתור במהירות ובדייקנות בעיות שאין אפשרות לפותרן באמצעות חישוב ידני.

לדוגמה, תוכנות מסוג זה מאפשרות לחשב את המבנה ואת התכונות של מולקולות בודדות, של קבוצות מולקולות ושל מוצקים ואת ההיתכנות והיעילות של תגובות כימיות. תוצאות החישובים משלימות את הידע המושג באמצעות ניסויים כימיים ולעיתים משמשות בסיס לניבוי תופעות שלא נצפו בפועל. כימיה חישובית נמצאת בשימוש רב בתכנון תרופות וחומרים חדשים.

הכימיה החישובית משתמשת באלגוריתמים המבוססים על חוקי טבע בסיסיים ומוכחים (ab initio), במכניקת הקוונטית ובקבועים פיזיקליים בסיסיים, או באלגוריתמים המבוססים על שיטות אמפיריות ואמפיריות למחצה. שתי שיטות אלה עושות שימוש באומדנים. התוצאות המתקבלות נעות בין מקורבות לבין מדויקות ביותר, כתלות במורכבות המערכת הנחקרת.

התפתחות התחום

הרצת תוכנות מסוג זה דורשת משאבי מחשב רבים כגון כוח חישובי, זיכרון ושטחי אחסון, לכן הכימיה החישובית התפתחה במקביל להתפתחות טכנולוגיות המחשב.

הודות להתייעלות טכנולוגיות המחשוב, בשנות ה-50 של המאה ה-20 התאפשר חישוב אמפירי למחצה של אורביטלים אטומיים.

בשנת 1964, התאפשר חישוב אנרגיה של אורביטלים מולקולריים על פי שיטת הקירוב של היקל .

בתחילת שנות ה-70 של המאה ה-20 נכתבו תוכנות מחשב יעילות כגון ATMOL, IBMOL, GAUSSIAN ו- POLYATOM לצורך חישוב אורביטלים מולקולריים.

האזכור הראשון של המונח "כימיה חישובית" הופיע בספרם של סידני פרנבך ואברהם הסקל טאוב "Computers and Their Role in the Physical Sciences"." כתב העת "Journal of Computational Chemistry " פורסם בשנת 1980.

פרסי נובל לכימיה הוענקו לוולטר קוהן וג'ון פופל בשנת 1988 עבור עבודתם בנושא "שיטות חישוביות במכניקת הקוונטים" ולמרטין קרפלוס, מיכאל לויט ואריה ורשל בשנת 2013 על "פיתוח מודלים מרובי-סקאלות להבנת מערכות כימיות מורכבות".

יישום הכימיה החישובית 

הכימיה החישובית מסייעת לכימאי הניסיוני ב:
 מציאת נקודת התחלה לסינתזה מעבדתית ומתן הסבר לנתוני ניסוי
 ניבוי קיום מולקולות או מבנים מולקולריים לא ידועים, או מנגנוני תגובות שעדיין לא נחקרו בניסויי מעבדה
 זיהוי הקשר בין המבנה הכימי לתכונות החומרים
 תכנון מולקולות המגיבות בדרך ספציפית עם מולקולות אחרות, לדוגמה תכנון תרופות, מעכבים וזרזים.

ראו גם
כימואינפורמטיקה
פיזיקה חישובית
תורת פונקציונל הצפיפות
דינמיקה מולקולרית
שיטת מונטה קרלו

קישורים חיצוניים

 NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark DataBase – Contains a database of thousands of computational and experimental results for hundreds of systems
 American Chemical Society Division of Computers in Chemistry – American Chemical Society Computers in Chemistry Division, resources for grants, awards, contacts and meetings.
 3.320 Atomistic Computer Modeling of Materials (SMA 5107) Free MIT Course
 Technology Roadmap for Computational Chemistry
 Applications of molecular and materials modelling.
 MD and Computational Chemistry applications on GPUs
 Susi Lehtola, Antti J. Karttunen:"Free and open source software for computational chemistry education", First published: 23 March 2022, https://doi.org/10.1002/wcms.1610 (Open Access)

הערות שוליים

כימיה פיזיקלית
חישובית
כימיה תאורטית