计算机在化学中的应用已有40余年的发展历史

2018-11-19 21:45

计算机在化学中的应用已有40余年的发展历史。主要体现在: 1.以量子化学计算为代表的计算化学发展史

从20世纪50年代发展起来,主要用于量子化学,结构化学的计算,为将化学由实验科学向理论化发展做出了重大贡献

50年代人们通过薛定谔方程采用从头计算法求解了解了氢分子轨道方程,第一次从理论上得到分子轨道的空间结构。

2.以化工过程计算机控制为代表的化工过程自动化发展史。 以计算机 化工控制系统为标志,计算机的实时监控和交互控制大大提高了化学工业的水平,为将经典化学工业发展为现代化学工业奠定了基础 3.计算数学与分析化学相结合的发展史

在红外,质谱和核磁共振中利用傅立叶变换进行波普分析。今天建立在计算机技术基础上的傅立叶变换技术和其他数学方法正在加速其在分析化学领域中的普及速度

4.计算机网络技术在化学信息收集方面的应用。 5.计算机模拟技术在化学化工过程模拟中的应用 许多化学化工过程中的高风险性和高消耗性,在一定程度上阻碍了化学学科的发展,基于现代计算机模拟技术的高温,高压,高险等化工过程模拟技术的发展加快了实验化学学科的发展,并使化学科技成果的产业化过程加速。 6.计算机智能技术在化学专家系统中的应用

计算机图形化和多媒体技术近年来获得了快速发展,除此之外,计算机在化学远程教学,数据智能化存储,实验设计与结果分析等方面也都获得了日益广泛的应用。总之,计算机技术的飞速发展给化学和化工科技的发展插上了飞翔的翅膀。化学学科的不断进步也为计算机科学技术提出来越来越高的要求。

2.应用领域以及应用现状:

1.以计算机网络技术为基础的计算机网上应用知识

包括运用计算机技术进行计算机化学信息和数据的收集,管理,检索,交换,远程计算机的登录,操作使用,网上多媒体化学教学课件的制作和使用等知识。 2.在数理统计与实验设计中的应用

在化学化工领域中的数理统计比较典型的应用主要在以下几个方面: 实验设计(正交设计,均匀法设计等),实验数据的分析实验(可信度分析,相关性分析,误差分析),实验数据的回归分析(线性回归,非线性回归等) 常用的软件有:Excel。主要用作数据分析,并可把数据用各种统计图的形式形象的表示出来。

Origin,主要有数据制图和数据分析两大功能,制图功能比Excel强。

Statistic,是一个通用的数理统计软件,主要用途为所有需要处理的领域提供一个公共处理的平台,可进行实验设计,常见统计参数计算,数据相关性分析,置信度测定和各种回归分析等工作。

3.以化学程序编写和使用为目的的计算机化学知识

通过运动一门高级语言进行程序编制,进行化学数值的计算,化学机理推导,方程求解,参数运算等计算化学课题。

4.以计算机CAD,三维动画和图形化技术为基础的化学结构模拟和图形表达知识

包括分子结构,化学和化工装置,实验数据的图形表达。

其中三维分子结构绘制软件已经发展的相当成熟。有ISIS/Draw,chemwindow,chemdraw,chemsketch等

ISIS/Draw主要功能:绘制分子结构图,分子结构类型自动变换,自动建立化学反应式,绘制几何图形,数据的输入和输出

Chemsketch主要功能有:绘制分子结构和化学反应式(可绘制三维结构,提供丰富的分子结构模版),绘制各种化学图形(比ISIS/Draw强大),计算测定分子性质。

Chemdraw主要功能有:可绘制高质量的结构图形,3D转换,基本的分子模型及化学数据管理功能等。

Chemwindow主要功能有:绘制分子结构和化学反应式,主要特点是体积小。 5.以计算机模拟仿真技术为基础的知识。

计算机仿真技术在化学中的应用主要是化学过程模拟,化工控制技术模拟和大型仪器操作仿真模拟等。 常用的模拟软件有:

Aspen plus,proⅡ等,是化工流程模拟软件系统,在过程开发,过程设计及老厂的改造中发挥着重要的作用。

Gaussian,chemCAD等,分子模拟软件。

6.以计算机接口技术为基础的计算机自动控制系统和数据收集知识

利用计算机自动采集化学实验室或装置每天生产的大量数据并进行综合处理,以及对实验室各种仪器设备或装置进行交互式的自动控制是提升实验室和生产装置工作效率的重要内容之一。

需掌握基本的电子知识,基本的计算机接口和数据传输技术。 目前工业上都采用先进的采集控制系统(DCS)。 7.了解计算机化学专家系统的开发和使用知识 人工智能是计算机发展的最高境界

所谓计算机专家系统是一类用于解决复杂问题的智能化计算机系统,它具有能够大量运用人类已经创造的专门的知识,运用人工智能的理论和技术,模拟人类专家解决问题的过程,解决那些以往需要领域专家才能解决的复杂问题,提供专家水平的咨询和决策,

目前开发的专家系统根据解决问题的方式可以分为:决策型,预测型,解释型和设计型。 4.发展趋势

我们不难分析出,将来在化学领域计算机还将得到进一步应用。特别是在保存处理方面。经过2O0多年的积累,特别是20世纪后期合成化学的大发展,已经收集了大量功能分子的信息。包括它们的合成、结构、性质等等,现在还在以越来越快的速度合成出新化合物。许多工作仅为创造新分子或新结构,无意于它们的实际用途。也有些虽然考察过某种性质,但是可能当时漏掉另一重要性质。况且,当我们总结结构与功能的关系时,需要功能表现有差别的一系列有关化合物的资料,哪怕是没有实际用处的化合物。因此,我们越来越需要结构-性质-功能的资料。另外,经过长期积累,堆起了一座各种各样的物质的信息的大山。它是埋藏着大量宝藏的知识资源,而且这座大山还在以极快的速度增加。可是当我们需要寻找具有某种功能的化合物时,又去合成各种各样的化合物提供筛选。因此,我们应该意识到从这座信息大山中可以发现有用的物质。是从新合成和分离、筛选好,还是从已有信息中找好,要看信息处理的理论和方法。今天信息技

术包括计算机的智能化给我们带来从信息大山中快速挖掘功能化合物和解决问题的基本数据的可能。与生物衔接的化学信息学是化学信息学的重要组成部分,在生命科学中现在正处在高潮到来的前夕,其契机有二:第一,蛋白质结构库用以在计算机上对小分子对接进行筛选,这是计算机辅助药物设计的核心;第二,基因组的测定和基因库的建立是20世纪生命科学发展的里程碑,它给医药学、农牧业带来新的希望。因此,国际普遍重视围绕基因和基因表达的信息库和信息处理。与化学反应和化学过程衔接的化学信息学将受到人们的重视。计算机应用的进一步加强毋庸质疑。另一方面,随着绿色化学的倡导,无污染的科学环境将更受欢迎,因此计算机模拟化学实验,创造无污染的新型实验模式,与可持续发展的社会要求相符合,可能被很好的利用。

但是我们也应该意识到一个问题,计算机只是化学家的工具,即使是很有用的工具,但毕竟还是工具。而不是化学本身,因而,对于未来化学家们来说,化学本身当然是更为根本的。简言之,计算机只能为化学研究的工具, 它的发展只是带来化学研究的便利,但不可能完全取代。因而。计算机现在或将来都不可能完全代替化学家的创造性劳动。


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