При более общем взгляде на этот вопрос можно подразделить используемые физические методы на широко распространенные (общепринятые) (например, ИК- и ЯМР-спектроскопия), редкие, но также достаточно широко известные (например, газовая электронография), методы, представляющие собой нестандартное использование стандартного оборудования (например, прецизионный рентгеноструктурный анализ, о котором сказано ниже) и уникальные методы ). В настоящее время работы, в которых используются уникальные методы, встречаются крайне редко. Почти не находится желающих идти непроторенными путями при наличии удобных хорошо оборудованных магистралей к тому же с риском не добиться успеха. Немаловажно и то, что в этом случае могут возникнуть проблемы с финансированием. Вместе с тем, если уникальный замысел оправдывает себя, при современном развитии коммуникаций метод быстро перемещается в разряд более или менее распространенных, если же нет, – забывается, и говорить о нем нет смысла. Поэтому затруднительно даже привести подходящий пример уникального метода. (Фемтосекундная спектроскопия [3] уже приобрела определенное распространение и в ближайшее время станет, если не общепринятой, то достаточно часто используемой.)
Аналогично приведенной классификации физических методов исследования (по степени их распространенности) можно классифицировать экспериментальные химические исследования, в том числе исследования, проведенные с применением физических методов. Здесь также можно говорить о работах стандартных, более редких, неординарных исследованиях и об уникальных экспериментах, причем уникальность вовсе не обязательно обусловлена использованием уникального физического метода. В химии 18-го и 19-го веков почти все успешные эксперименты (или, по крайней мере, большая часть таких экспериментов) были уникальными. В 20-м веке сформировался и достиг колоссального размаха стандартный химический эксперимент – производство однообразной информации. Мы уже говорили о высокой ценности опытных данных такого рода. И вместе с тем, особую, часто выдающуюся и решающую роль играли уникальные эксперименты. Выходя за рамки структурной химии в качестве примеров можно указать радиохимические исследования М. Склодовской-Кюри, определение химической структуры хлорофилла (Р.М.Вильштеттер) и его синтез (Р.Б.Вудворд), изучение биоэнергетики клетки (П.Митчел). В 21-м веке, надо думать, сохранится особая значимость, особое место нетривиального, нестандартного опыта, который М. Борн назвал "главным источником знания". Примечательно, что эти слова принадлежат не экспериментатору, а теоретику.
Компьютерное моделирование.
Важнейший аспект современной химии заключается в том, что наряду с приборными (инструментальными) физическими методами все большее место в ней занимает компьютерное моделирование. Это словосочетание в последние годы звучит все чаще. Но смысл его, похоже, не вполне ясно очерчен.
Первоначально (около тридцати лет назад) термин "компьютерное моделирование" чаще всего соответствовал понятию численного (осуществляемого на ЭВМ) эксперимента [5]. Однако в то время были уже широко распространены квантовохимические расчеты и некоторые другие громоздкие вычислительные задачи. Постепенно граница между расчетами такого типа и собственно компьютерными экспериментами стала размываться. Действительно, и в том, и в другом случае при правильной постановке исследования расчет приводит к получению новой информации, причем вычисления отнюдь не сводятся к обработке результатов экспериментальных измерений.
В настоящее время компьютерное моделирование как метод исследования находит широкое применение отнюдь не только в химии. Применительно к весьма разнообразным разделам естествознания (и даже не только естествознания) к области компьютерного моделирования можно отнести следующие задачи:
I. Расчетное воссоздание (восстановление, построение) какой-либо системы и/или ее свойств.
II. Расчетное воспроизведение какого-либо процесса (компьютерный эксперимент).
III. Выявление и описание функциональных зависимостей (корреляций).
Это моделирование, потому что всегда используется некоторая модель (приближение). Оно компьютерное, поскольку требуется значительный объем вычислений.
Если теперь обратиться к химии, то конкретное содержание перечисленных задач можно представить следующим образом:
I. 1. Расчеты строения и спектров молекул и других атомно-молекулярных систем на основе квантовой химии и теоретической молекулярной спектроскопии
2. Построение потенциальных поверхностей
3. Расчеты на основе метода "молекулярной механики"
II. 1. Молекулярная динамика
2. Метод Монте-Карло (строение, динамика и свойства жидкостей, растворов, твердых тел; поверхностные явления, абсорбция)
3. Моделирование химических реакций и химических равновесий, макрокинетические процессы
III. Установление корреляций структура – свойство, проблемы материаловедения
Заметим, что исследования, относящиеся к важнейшему для химии пункту II.3, пока не увенчались большими успехами. Осуществить компьютерное моделирование химических процессов удалось лишь в некоторых простых случаях. Об уверенном предсказании хода химического превращения для мало-мальски сложных систем говорить пока не приходится. Вообще, компьютерное воспроизведение процессов, происходящих в атомно-молекулярных системах, обладающее многими признаками эксперимента, в настоящее время не дает (если не говорить о простейших модельных ситуациях) результатов, которые по их достоверности можно было бы приравнять к экспериментальным. Возникает методологическая проблема: какое место в системе научных достижений следует отвести сведениям, получаемым путем компьютерного экспериментирования (и других видов компьютерного моделирования)?
Возможно, правильный ответ на этот вопрос состоит в следующем. Коль скоро мы не можем принимать результаты компьютерного моделирования за абсолютную научную истину без дополнительной истинно экспериментальной проверки, их следует считать гипотезами. Однако здесь мы сталкиваемся с гипотезами принципиально нового, ранее неизвестного типа. Если до появления компьютерного моделирования гипотеза всегда представляла собой догадку (более или менее интуитивную), то с возникновением этого метода научного исследования мы получаем в руки совершенно новый инструмент – гипотезу, которую объективно формирует компьютер (разумеется, на основе заданных исходных моделей и их параметров). Таким образом, в арсенале химии (и других разделов естествознания) появляются "объективные" гипотезы ), против которых, возможно, не возражал бы и Ньютон, сказавший, как известно: "Гипотез не измышляю".
Примечательно, что компьютерное моделирование почти неизбежно, почти всегда придает описанию рассматриваемой системы структурный оттенок либо оказывается полностью структурным. Это закономерно: структурные представления все шире и глубже внедряются в химию, новейшие достижения химиков очень часто связаны с изучением именно структурных аспектов явлений. Многочисленные примеры такого рода можно найти в области биохимии и смыкающейся с ней молекулярной биологии (функционирование белков и полинуклеотидов, иммунологические реакции). Другой пример: достижения фемтосекундной спектроскопии, которая позволяет детально и наглядно описать изменение структуры, происходящее в процессе химической реакции.
Круг объектов современной (структурной) химии.
Весьма существенное (и, к сожалению, пока недостаточно осознанное химическим сообществом) обстоятельство заключается в том, что современная химия имеет дело отнюдь не только с химическими веществами и другими гомогенными фазами, например, растворами, но и с обширным кругом принципиально иных атомно-молекулярных систем (АМС). Именно это обстоятельство побуждает пересмотреть традиционное определение химии, о чем было сказано в начале настоящей статьи.
На первый план выдвинулось изучение таких объектов, как ДНК, РНК, белки, которые функционируют не в качестве вещества, а виде отдельных молекул.) К химическим процессам, реализующимся в биологических системах [6], неприменимы принципы классической термодинамики. Быстро растет интерес к супрамолекулярным системам [7]. Отдельный и очень важный круг АМС представляют собой системы, возникающие на поверхности, на границах раздела фаз. Примером таких систем являются модифицированные поверхности графита, силикагеля и других носителей, несущие на себе "привитые" (химически связанные) молекулы модификатора [8]. Самостоятельная область химических знаний, имеющая дело со специфическими АМС, – коллоидная химия [9].
Следует отметить, что структура все в большей мере становится не только средством интерпретации поведения самых различных АМС, но и средством их идентификации, главным признаком, используемым при инвентаризации многообразия АМС.
Добавим к этому еще одно немаловажное обстоятельство, существенно влияющее на дефиницию химии и формулировку ее задач: многие химические вещества, которые априори считались (и чаще всего до сих пор считаются) гомогенными, в действительности представляют собой микрогетерогенные фазы. Это проявляется, например, в том, что в молекулярных жидкостях молекулы часто объединены в агломераты – ансамбли, в пределах которых молекулы взаимодействуют сильнее, т.е. связаны прочнее, чем молекулы, относящиеся к разным агломератам. В частном случае молекулы в агломератах соединены водородными связями – тогда агломераты называются H-ассоциатами. Агломераты (конечные и бесконечные), как правило, наблюдаются и в органических кристаллах [10]. Однако в кристаллическом веществе агломераты расположены закономерно, упорядочено, и их существование не порождает микрогетерогенности. В расплаве или растворе органического соединения микрогетерогенность обусловлена существованием более или менее стабильных или нестабильных, хаотически дрейфующих относительно друг друга агломератов. Эти агломераты представляют собой фрагменты молекулярных цепей, лент, стержней, слоев, имеющих вполне определенное строение, по-видимому, чаще всего воспроизводящих те или иные элементы структуры кристалла, но различных по размерам, т.е. по числу содержащихся в них молекул. Такая структура жидкого вещества несомненно влияет на его свойства, например, на фармакокинетические параметры, предопределяющие лечебное действие лекарств, растворенных в физиологических жидкостях [11].