Počítače si stále více nacházejí cestu do rozmanitých oborů lidské činnosti. Výjimkou není ani takové odvětví, jakým je chemie. Ty tam jsou doby, kdy vybavení chemických laboratoří sestávalo z několika zkumavek, kahanů a odměrných válců. Při dnešním vývoji nových látek a materiálů je mnohdy nutné začít u základních stavebních kamenů hmoty a pochopit principy chemických reakcí. Je zřejmé, že při těchto výzkumech se již nelze bez pomoci počítačů obejít.
Proč simulace?
Základní metodou, která se dnes v chemickém inženýrství stále více uplatňuje, je výkonná počítačová simulace. Ta se pomalu ale jistě stává nedílnou součástí při výzkumu a vývoji nových technologií. Reálné a spolehlivé chemické modely dovolují vědcům a inženýrům minimalizovat množství "fyzických" experimentů používaných při výzkumu. S její pomocí lze provádět jinak nebezpečné nebo nákladné pokusy. Významná je také eliminace časového faktoru.
Můžeme zhruba říci, že simulace znamená náhradu zkoumaného objektu (chemických látek či chemických procesů) počítačovým modelem. U takto vytvořeného modelu lze pak libovolně měnit celou řadu parametrů a sledovat jeho chování za nejrůznějších podmínek. Celý tento proces nám poskytuje velké množství výstupních informací potřebných pro další experimentování. Velké využití nacházejí simulační metody v takových oblastech, jako je např. molekulární, chemická kinetika, nukleární výzkum, či zkoumání principů a podstat koroze materiálů.
Ruleta v Monte Carlu
V oblasti molekulární chemické kinetiky, která studuje rychlosti chemických reakcí a faktory, které rychlost těchto reakcí ovlivňují, lze simulační metody rozdělit do 2 kategorií. Je to "Molekulární dynamická simulace" a simulace typu "Monte Carlo".
V molekulární dynamice se používají Newtonovy pohybové rovnice pro určování polohy a rychlosti molekul (částic) a umožňují v krátkých časových úsecích numericky určovat takové vlastnosti soustavy, jako je energie, tlak, apod. Tyto poznatky pak mohou vést ke spolehlivé předpovědi četností molekulárních kolizí s přesností několika zlomků sekund. Vlivem přítomnosti intermolekulárních sil uvnitř molekul, které jsou často velmi veliké, musíme být schopni analyzovat velmi malé časové úseky, aby se tyto děje (kolize) daly vůbec postihnout.
Udělej (vyzkoušej) si sám
Pro člověka, který se nepohybuje v oboru, může být problémem, jak si simulaci chemického děje vlastně představit.
Pro ty zájemce, kteří si chtějí takovou jednoduchou simulaci vyzkoušet na vlastní kůži, respektive na vlastním počítači, je na internetové adrese http://www.chem.uci.edu/instruction/applets/ simulation.html k dispozici aplikace počítačové simulace chemické reakce. Celý program je napsán v jazyku Java a z tohoto důvodu je nutné, aby ji váš prohlížeč podporoval a abyste ji měli zapnutou (ačkoliv např. AltaVista stále tyto stránky eviduje v databázi, v době uzávěrky procházel server přestavbou. Doufejme, že ve chvíli, kdy toto čtete, je již vše opět v pořádku poznámka pah).
Počítačové vybavení
Náročnost simulace je v zásadě omezena pouze výkonem (rychlostí) konkrétního počítače. Samozřejmě, že při rozsáhlých simulačních procesech nelze vystačit s počítačem třídy PC. V takových případech přicházejí na řadu výkonné paralelní systémy. S příchodem masivních paralelních systémů (Masive Paralel Processing) se molekulární simulační metody stávají velkým přínosem pro "předpovídání" vlastností skutečných látek (systémů), které jsou průmyslově využívány.
Oblasti využití
Použitím simulačních metod a za použití výkonné počítačové techniky se oblastem molekulárního inženýrství otevírají široké možnosti při určování nových vlastností kapalin a amorfních materiálů, které mohou být nyní přesně optimalizovány a upraveny ještě před vlastní syntézou. Tyto metody přinášejí velké změny např. při návrzích a vývoji nových polymerů, syntetických mazadel, rozpouštědel apod.
Koroze trochu jinak
Zajímavým odvětvím, které hojně využívá simulací, je např. problematika koroze materiálů. Je obecně známo, že koroze je problémem ve všech odvětvích lidské činnosti. Poměrně rozvinutá je empirická znalost tohoto problému, ale obecné podstaty a modely zatím chybí. Je také vyvinuto množství dvoua třídimenzionálních algoritmů.
Některé z používaných modelů mají v sobě implementovány i mechanizmy pasivace (tvorba chemicky odolné vrstvy na neušlechtilých kovech) a depasivace (odstranění chemicky odolné vrstvy). Vlastní simulace je pak prováděna buď zcela "virtuálně", nebo na materiálu, který je pokryt tenkou ochrannou vrstvou. Koroze je následně iniciována porušením této vrstvy v jednom malém bodě. Rychlostní konstanty pak při vlastní simulaci určují strukturu a velikost zkoumaného celku.
Na modelech je také definováno reálné časové měřítko, které nám umožňuje studovat časovou evoluci (vývoj) koroze. Získaná data z těchto simulací jsou pak srovnávána s různými parametry a jsou hledány vztahy mezi modelovými výsledky a vstupními hodnotami.
Simulace nukleárního zamoření
Do oblasti chemických simulací patří i modelování účinků radioaktivního zamoření, ať už způsobeného ekologickou havárií, nebo válečným konfliktem. Výstupy z těchto modelů obsahují např. údaje o průběhu znečištění oblasti, o celkové délce trvání kontaminace, odhadu možných obětí apod.
Nové polymery a léky
Vlastnosti složitých molekul nejsou nahodilé, ale samozřejmě vyplývají ze stavebních kamenů a způsobů jejich uspořádání. Pro rámcové posouzení vlastností látek, jejichž syntéza by byla nákladná i časově náročná (i chemicky velmi podobné látky ma-jí často zcela odlišné výrobní postupy), je metoda chemické simulace samozřejmě velmi vhodná.
Další použití
Simulační procesy se nepoužívají pouze při zkoumání průběhů chemických reakcí, ale lze je s úspěchem využít i pro navrhování a simulaci celého výrobního procesu. Příkladem může být přesná simulace zpracování uhlovodíkových surovin (ropa, plyn, uhlí apod.), která v sobě zahrnuje jednotlivé výrobní postupy jako např. čištění (rafinaci), získávání vedlejších petrochemických produktů, zpracování a úpravu plynu, chlazení apod.
Zjednodušeně řečeno nejprve si sestavíme blokové schéma celého výrobního zařízení, na kterém následně sledujeme všechny důležité parametry (tlak, teplotu, průtoky) celého systému. Zajímavým produktem je v této oblasti program Design II 8.0 pro Windows společnosti WinSim, který je určen převážně pro simulaci výrobních postupů při zpracování chemických surovin. Program má v sobě implementovány metody pro předpovídání termodynamických vlastností látek.
Závěr
Lze říci, že hlavním přínosem nových vizualizačních a simulačních nástrojů do oblastí chemického výzkumu je vývoj nových technologií a procesů, na které jsou zvláště v dnešní době, která stále volá např. po ekologicky čistých technologiích, kladeny stále vyšší nároky. Snahou snad všech výrobců je také neustále snižovat výrobní náklady a vyvíjet nové materiály.
Je jen otázkou času, kdy budou počítače na takové úrovni, že budeme moci sledovat v reálném čase víceméně kompletní chemické pochody a na základě takto získaných poznatků pak budeme ještě ve větším měřítku vyvíjet zcela nové, dosud nepoznané materiály.
Programy na Internetu
Velkou výhodou programů dostupných na Internetu je obvykle to, že celá simulace se jednoduše spouští v internetovém prohlížeči a tudíž nevyžaduje žádné speciální vybavení (obvykle kromě podpory javových appletů). Popišme si teď stručně činnost a obsluhu programu, z něhož pocházejí naše obrázky (http://www.chem.uci.edu/instructi on/applets/simulation.html):
Po kliknutí myší na applet se nám po jeho ploše začnou neuspořádaně pohybovat částice čtyř barev. Červená a žlutá barva představuje výchozí molekuly (reaktanty) a zelená s modrou reprezentují výsledné produkty reakce…
Počítače analyzují lidský genetický kód
Počítače si dnes nacházejí cestu i do oblastí genetického výzkumu. Stávají se součástí genetiky a biologie samotné a podílejí se na vytváření speciálních počítačových modelů, které simulují chování živých organismů. Od použití těchto modelů je mnohdy odvislý i další výzkum, který bývá natolik rozsáhlý, že se rozrůstá do nových a zcela samostatných oborů. Při dalším využívání takto získaných informací dochází často ke vzájemnému prolínání zcela odlišných vědních disciplín.
Počítače otevírají na poli genetiky zcela nové možnosti výzkumu. Celá metoda je poměrně mladá, pojem DNA computing se zrodil teprve před cca 3 roky.
Se zavedením výkonných sekvenčních programů (neboli sekvencerů) dnes počítače zpracovávají velká množství informací za podstatně kratší dobu, než to bylo možné dříve pomocí klasických postupů. Sekvencer je jednoduše řečeno počítač, který umí od sebe oddělovat jednotlivé fragmenty (části) genů, určit u každého jeho význam a stanovit jeho umístění v genové sekvenci. Významnou měrou pomáhá vědcům při pochopení mechanismů biologických pochodů a zákonitostí.
Existuje samozřejmě mnoho nejrůznějších typů genových sekvencerů určených pro široké spektrum počítačových platforem. Jako sekvencer lze použít PC, Apple, ale i výkonné pracovní stanice. Pro zvýšení výpočetního výkonu a rozšiřitelnosti se často využívají clusterová řešení. Na nejvyšší úrovni může cluster obsahovat výkonné SMP systémy. Ať už je ale technické řešení jakékoliv, vždy významnou měrou redukuje dobu potřebnou pro získávání nových informací a zvyšuje tempo samotného výzkumu. Sekvencery se pomalu stávají automatizované a nezávislé a mnohdy již pracují zcela samostatně.
Všech výše uvedených technologií se samozřejmě využívá i při studiu příčin degeneračních či dědičných chorob. V případě použití klasických postupů jde o velmi zdlouhavý proces, při kterém se zjišťuje "umístění" nemoci (defektu) v chromozomu což je však pouze počáteční fáze celého procesu. S využitím počítačů lze celý proces velmi urychlit a zjistit nemocí napadená a poškozená místa.
Pokud čtenář viděl film Jurský park, nebo četl příslušnou knihu, pak jistě ví, že ve filmu vědci používali genové sekvencery pro studování dinosauří DNA získané z krve komára. Napřed byly zmapovány její dochované části a ty chybějící pak byly nahrazeny (doplněny) jinou tuším, že šlo o žabí DNA. Takto opravenou a kompletní genetickou sekvenci pak vložili do vejce a na světě byl "staronový" druh.
Zbývá upozornit na vztah pojmů "mapování" a "sekvencování". Sekvencování je, zjednodušeně řečeno, prvním krokem celého procesu, to znamená, že pomáhá při poznávání stavby jednotlivých chromozómů a určuje "umístění" jednotlivých genů. Mapování je pak dalším krokem, při kterém dochází ke vzájemnému porovnávání jednotlivých sekvencí a ke zjišťování informací o funkci jednotlivých genů (o jejich významu ve zkoumaném celku). Jakmile jsou všechny tyto kroky provedeny, můžeme říci, že máme zkoumanou část zmapovanou.
Získávání (mapování) genetických informací u člověka i jiných organizmů je extrémně náročný proces a trvá vždy určitou dobu, než se dostaví konkrétní výsledky.
Systém MBA 2000 od firmy Perkin-Elmer
Za všechny producenty (z nichž v počítačovém světě je samozřejmě nejznámější Hewlett-Packard) můžeme jmenovat např. společnost Perkin-Elmer, která je výrobcem analytických nástrojů pro genetickou analýzu, biochemii, farmaceutický průmysl apod. Její systém MBA 2000 (viz také obrázek na stra-ně 6) je kompaktní výpočetní systém, který konsoliduje a organizuje rutinní funkce používané při biochemických výzkumech (se zaměřením na analýzu dlouhých řetězců, ať už se jedná o nukleové kyseliny nebo bílkoviny). Je vybaven grafickým dotykovým displejem a neobsahuje žádné pohyblivé součásti. Celý systém je navržen tak, že uživatel pouze navolí požadované úlohy pomocí propracovaného menu na dotykovém displeji. Výhodou produktu je také fakt, že MBA 2000 je snadno integrovatelný do stávajících chemických laboratoří.
Bližší informace je možno získat na http://www.perkinelmer.com a na http://204.255.73. 5/ai/ai.nsf/pages/mbaindex.html.
