كيمياء حسابية ..!

:bismalh:

الكيمياء الحاسوبية Computational chemistry هي أحد فروع الكيمياء النظرية التي تهدف إلى ابتكار تقريبات approximation رياضية فعالة لحل مسائل الكيمياء النظرية بأسرع وقت و أقل كلفة و وضع خوارزميات و برامج حاسوبية تقوم بحساب خصائص الجزيئات مثل الطاقة الكلية ، العزم الثنائي القطب و العزم الرباعي القطب quadrupole moment ، الترددات الاهتزازية ، قابلية التفاعل reactivity و غيرها من الخصائص الكميات المطيافية spectroscopy و المقاطع العرضية لتصادم الجزيئات مع جزيئات ذات مساقط ذرية و تحت ذرية مختلفة .

يشكل الكيمياء الحاسوبية تداخلا بين علوم الحاسب و الكيمياء لإعطاء حلول سريعة و عاجلة لبعض القضايا التي تواجه الكيمياء و تساعدها على توفير الوقت و المال .


مقدمة
مصطلح كيمياء نظرية يمكن ان يزودنا بوصف رياضي للكيمياء ، في حين نستخدم مصطلح كيمياء حاسوبية عندما تكون الطريقة الرياضية قم تم تطويرها بشكل كاف ليتم تطبيقها باستخدام [حاسوب] . طبعا نحن لا نتحدث هنا عن حل دقيق أو كامل لأن الدالة الأسية قلة قليلة من مسائل الكيمياء يمكن ان تحل بدقة ، تقريبا معظم مسائل الكيمياء يمكن ان توصف بمخطط تحسيبي كمي تقريبي أو كيفي .


من حيث المبدا ، لا يوجد ما يمنع استخدام طريقة دقيقة تماما و تطبيقها على الجزيئات الكيميائية لكن مثل هذه الطرق كلفتها التحسيبية عالية من حيث الموارد المطلوبة و الزمن فهي تزداد عامليا مع عدد الالكترونات (أسرع حتى من . ) لذلك فقد تم تطوير عدد كبير من الطرق التقريبية التي توازن بين الدقة و الكلفة التحسيبية .الكيمياء الحاسوبية الحالية يمكنها أن تحسب بدقة جيدة و بشكل مكرر خواص الجزيئات التي لا تحوي أكثر من 10-40 الكترون .أما معالجة الجزيئات التي تحوي عدة دزينات من الالكترونات تدرس عادة بطرق تقريبية مثل النظرية الدالية للكثافة density functional theory أو (DFT) ، لكن ما زال هناك خلاف بين المختصين حول فعالية الطرق الأخيرة الذكر حول وصف التفاعلات الكيميائية المعقدة ، مثل تلك التفاعلات في الكيمياء الحيوية

في الكيمياء النظرية ، يقوم الفيزيائيون و الكيميائيون معا بتطوير خوارزميات و برمجيات حاسوبية للتنبؤ بالخواص الذرية و الجزيئية و مسارات التفاعلات للتفاعلات الكيميائية بالعكس ، يمكن ان يستخدم الكيميائيون الحاسوبيون البرمجيات الحاسوبية و المنهجيات على المسائل الكيميائية الخاصة .


حزم برمجيات الكيمياء الحاسوبية
الحزمة ميكانيك جزيئي نصف-تجريبي هاتري-فوك طرق بعد هاتري-فوك نظرية دالية للكثافة دورية
ACES N N Y Y N N
ADF N N N N Y Y
AMPAC N Y N N N N
CADPAC N N Y Y Y N
CASTEP N N N N Y Y
COLUMBUS N N Y Y N N
CRYSTAL N N Y N Y Y
DALTON N N Y Y Y N
GAUSSIAN Y Y Y Y Y Y
GAMESS (UK) N Y Y Y Y N
GAMESS (US) N Y Y Y Y N
JAGUAR Y N Y Y Y N
MOLCAS Y Y Y Y Y N
MOLPRO N N Y Y Y N
MOPAC N Y N N N Y
MPQC N N Y Y Y N
NWChem Y N Y Y Y Y
PLATO Y N N N Y Y
PQS Y Y Y Y Y N
PSI N N Y Y N N
TURBOMOLE N N Y Y Y N
Q-Chem N N Y Y Y N
VASP N Y N N N N

الكيمياء الكمومية أو كيمياء الكم (بالإنجليزية: Quantum chemistry) هو فرع من الكيمياء النظرية يقوم بتطبيق ميكانيكا الكم و نظرية الحقل الكمومي و تقريب بورن-أوبنهايمر لحل قضايا ومسائل في الكيمياء. أحد تطبيقات الكيمياء الكمومية هي دراسة سلوك الذرات والجزيئات فيما يخص قابليتها للتفاعل. تقع الكيمياء الكمومية على الحدود بين الكيمياء والفيزياء ويشارط بها مختصون من كلا الفرعين.

سبب تسميته بهذا الاسم يرجع إلى الأعداد الكمية التي هي عبارة عن أعداد تظهر كنتيجة رياضية منطقية تحدد أحجام وأشكال المجالات الالكترونية.


نشأة كيمياء الكم
مضى ما يزيد عن سبع سنين على نظرية بور (أو نظرية الكم القديمة كما تسمّى أيضاً) وهي لا تزال في بداية العقد الثاني من القرن العشرين تراوح مكانها دون تقدّمٍ ملموس يتماشى مع إنجازات الفيزياء من الناحية التجريبية. كان هذا الأمر ممّا أرّق العالم الشاب هايزنبرغ (22 سنة) والذي اعتقد أنّه قد آن الأوان لنقلة نوعيّة وتغيير جذري في نمط التفكير. كان هايزنبرج يرى أنّ المشكلة الحقيقية في نظريّة بور هي تلك المسارات التي نفرض أنّ الإلكترون يدور فيها، فهي ممّا لا يمكن للباحثين التأكّد منه تجريبيّاً، وبدلاً من الاعتماد على مثل هذه الفرضيات "التقليدية" اقترح هايزنبرج الاهتمام أكثر بما يمكن أن يقاس بالتجربة. عكف هايزنبرج على وضع الأسس الرياضية لفكرته، وبالفعل قام بتقديمها، قبل ذهابه في رحلة علميّة طويلة في العام 1923، مكتوبةً لرئيسه في العمل ماكس بورن (Max Born) الذي وضعها في الإطار الرياضي الصحيح وقام بنشرها مباشرة. كانت تلك أوّل مرّة يظهر فيها مصطلح ميكانيكا الكمّ (Quantum mechanics). لم تَلْقَ ميكانيكا الكمّ حماساً لدى الفيزيائيين، فقد كانت مغرقةً في التجريد لا يكاد المتعامل معها يستطيع أن يتخيّل بها أيّ شيء، كانت مجرّد أرقام ومصفوفات! صحيح أنّها تعطي نتائج صحيحة ولكنّها أشبه بآلة لا يُعرف كيف تعمل، تعطيها المعطيات فتعطيك النتائج. كان الفيزيائيون –الجيل القديم منهم بالذات- بحاجة إلى أشياء ملموسة أو على الأقل قابلة للتخيّل، وكان شرودنجر (Schrödinger) أحد هؤلاء الفيزيائيين القدامى فأخذ يبحث عن مسلك أقل تجريداً وأكثر قبولاً من ميكانيكا هايزنبرج وبورن (والتي عرفت فيما بعد ميكانيكا المصفوفات Matrix mechanics لاعتمادها من الناحية الرياضية على المصفوفات)، فكان أنْ وجد شرود نجر ضالّته المنشودة في فرضية دو برولّي (De Broglie) واضعاً بذلك الأساس لما عرف فيما بعد بميكانيكا الأمواج (Wave mechanics).


أهمية كيمياء الكم
القوانين الكلاسيكية تنطبق على الاجسام الكبيرة . أما الأجسام الصغيرة لا تنطبق عليها القوانين تنطبق قوانين الميكانيكا الكلاسيكية على الاجسام الكبيرة وعند تطبيق هذه القوانين على الاجسام الصغيرة مثل : الذرات أو الالكترونات . وجد ان هذه القوانين فشلت في تفسير الظواهر الطبيعية وسلوك هذه الاجسام ولذلك ظهرت نظرية ميكانيكا الكم Quantum mechanism التي استطاع تفسير سلوك هذه الاجسام بجانب انها تفسر أيضا سلوك الأجسام الكبيرة .

ومن أهم الظواهر التي فشلت الميكانيكا الكلاسيكية في تفسيرها ونجحت ميكانيكا الكم هي :

نظرية بور لذرة الهيدروجين
الطيف الذرئي والجزئي
إشعاعات الجسم الاسود
ظاهرة التأثير الكهروضوئي
ظاهرة تأثير كومتون comton effect

فيزياء المادة المكثفة (condensed matter physics) هي الفيزياء التي تتعامل مع الخواص الجهرية (Macroscopic) للمواد المختلفة.

عمليا يهتم هذا الفرع بجميع المواد المتكاثفة التي تبدو مؤلفة من عدد كبير من المكونات تتبادل فيما بينها عدد كبير من قوى التآثرات المتبادلة Interactions forces مما يجعل تماسكها قويا و أمثلتها : الأجسام الصلبة Solids و السائلة liquids التي تنشأ نتيجة وجود قوى تجاذب كهربائي بين الذرات . اما أنواع المادة المكثفة الأخرى الأكثر إثارة للاهتمام فهي السوائل الفائقة Superliquids و تكاثفات بوز-اينشتاين Bose-einstein Condensate التي تنشأ في بعض الجمل الذرية في درجات حرارة منخفضة جدا .


مواضيع في فيزياء المواد المكثفة
أطوار المادة
أطوار عامة - غاز; سائل; صلب
أطوار الحرارة المنخفضة : - تكاثف بوز-آينشتاين; غاز فيرمي; سائل فيرمي; تكاثف فرميوني; سائل لوتينغر; سائل فائق; صلب فائق
ظاهرة الطور - وسيط الرتبة Order parameter ; انتقال طوري Phase transition ; منحنى تبريد Cooling curve .
الأصلاب البلورية
أنماط - عازل; معدن; نصف ناقل; نصف معدن; شبه بلورة Quasicrystals
خواص إلكترونية - ثغرة حزمية; موجة بلوخ; حزمة توصيل Conduction band ; كتلة فعالة; توصيل كهربائي; فجوة إلكترونية; حزمة تكافؤ Valence band
ظاهرة الكترونية - تأثير كوندو; بلازمون; تأثير القاعة الكمومية; موصلية فائقة Superconductivity ; بلورة فيغنر Wigner crystal ; كهربائية حرارية Thermoelectricity
ظواهر بلورية - Antiferromagnet; تأثير كهربائي-حديدي; مغناطيس-حديدي Ferromagnet ; ماغنون; فونون; زجاج السبين; عيب طوبولوجي Topological defect
مادة طرية Soft matter
أنماط - صلب لاشكلي Amorphous solid ; مادة حبيبية Granular matter ; بلورة سائلة Liquid crystal ; بوليمر Polymer;
تقانة نانوية
أنظمة إلكتروميكانيكية نانوية Nanoelectromechanical Systems (NEMS)
Magnetic Resonance Force Microscopy
Heat Transport in Nanoscale Systems
Spin Transport

منقول للفائدهـ
N3der
4
ever

مع الابداع وقفه
ومع ابداعك وقفات

فلا يكاد يمل النظر مما يرى


جميل ماشاهدت

يعطيك العافيه

يعطيك العافية

عـود .. دودي .. تومة

الف شكر لكم جميعأً
على مشاعركم الطيبة
ومروركم الذوق

نادر


موضوعك شيق

ومليء بالمعلوات القيمة


يعطيك الف عافية

يعطيك الف عافية