分子與材料模擬技術 - 化學系二年級 邵偉凱
課程名稱►分子與材料模擬技術 授課教師►化學系 鄭沐政老師
心得分享者►化學系二年級 邵偉凱
前言
在化學系如果想要利用推薦甄試的管道申請研究所基本上都要做過專題研究，而專題研究的題目也關係到未來參加推薦甄試的領域，所以頗為重要。一般來說，都是大二下開始找專題教授然後大三做專題以便在大四推薦甄試前完成。不過化學系的有機化學、無機化學、物理化學與分析化學四大領域，其中有機化學與物理化學直到大二才開始教得較為深入，而無機化學與分析化學甚至要到大三才有辦法學到。因此若想要在大三開始找專題教授之前先了解各領域是困難的。從額外的學習管道先了解化學不同領域在做什麼就顯得非常重要。正好看到成大模組化開了兩堂化學相關課程都是我不熟悉的領域，所以就算系上不承認化學領域模組化課程的學分作為畢業學分，我還是兩門課都選了。
課程介紹
在成功大學化學系首頁下方的學術發表專區中，13篇期刊論文裡面就有4篇是鄭沐政教授發表的。我猜測能有如此高的發表量應該有別人所不熟悉的技術，這正是「分子與材料模擬技術」這門模組化課程的主題。
雖然這堂課是安排在電腦教室上課、且課程公告也只寫「建議學生可自備筆電」，不過基本上都要帶自己的筆電去上課，因為這堂課最核心的兩個程式GaussView與Gaussian 09W都是有版權的，所以老師只會在第一天的課程中提供給大家下載。而如果下載在計網中心的電腦裡只要隔天重新開機就會被學校設定的還原卡清除，所以沒有帶自己的筆電是無法上課的。除了上述兩個聽說要價不斐的化學程式之外，老師也會介紹其他不用錢的程式，例如:VESTA、ACDLabs ChemSketch等等。如果自己有興趣的話也可以利用暑假剩餘的時間上網找資料、自行學習使用方法。
鄭沐政教授在五天裡，循序漸進的帶我們認識GaussView與Gaussian 09W所涉及的化學背景知識，也由國中程度的分子模型慢慢提升到普通化學程度的化學反應的反應熱(ΔH)、平衡常數(pKa)，最後再到更進階的分子光譜(IR、Raman、NMR、UV-Vis)等等。不過由於課程時間緊湊，所以老師並不會一一解釋所有背景知識。建議如果沒有化學相關背景的同學，上課前還是要先自己稍作預習才能比較快進入狀況。
第一天課程主要介紹兩個程式的使用方法。利用GaussView製作分子模型雖然操作起來就跟疊樂高積木一樣簡單，但在製作的每一步中又處處是學問；因為如果觀念不清楚的話，做出的模型就會嚴重偏離分子實際穩定態的結構。但若真的發生這現象，Gaussian 09W就可以派上用場了!透過不停計算分子中每一個電子的能量來修正分子模型，使整個分子達到最低能、最穩定的結構，這整個過程就是「OPT(分子結構優化)」。由於接下來幾天所有用到的分子模型都必須先經過這個優化步驟，所以熟悉輸入指令是非常重要的。Gaussian 09W優化完的模型可以再用GaussView開啟，並藉由簡單、直覺的點擊得到關於鍵長、鍵角等資訊。也可以從Checkpoint File中將分子軌域及電荷分布圖像化，讓分子軌域不再是只能靠超強想像力揣測而得的抽象概念，是實實在在呈現在眼前的3D圖像。
接下來就開始學習將優化完的模型，應用到反應中去預測數據。其中預測反應熱是最簡單的，只需要知道反應物與生成物的結構即可運算。接著再試著藉由模型模擬的方式找出反應的過渡態。過渡態是整個反應中能量局部最高的地方(local maximum)，所以沒辦法適用OPT最小化的邏輯。於是我們學會改變輸入的指令並藉由新的指令FREQ(計算振動頻率)檢查是否確實找到過渡態。在Checkpoint File中檢視分子的振動頻率時，若出現一個負值的「虛頻」，則表示此結構為過渡態的結構，如果再利用GaussView檢視就可以看到反應物過渡瞬間的震動模式了!
後面的課程主要就是繼續擴充Gaussian 09W的指令，讓我們可以控制更多變因以貼近目標分子實際的狀態。但在面對更大的分子，或處理需要更精準、更複雜的運算模式之下，許多人的電腦因為無法承受大量運算導致「Link died!(計算異常中止)」的狀況，這尤其在計算無邊無際的網狀共價化合物時特別容易發生。此時就需要用到成大超級電腦計算的資源或者利用VESTA(其他程式)處理。
授課風格
這堂課程除了鄭沐政教授上課之外，還有兩位研究生助教。如果在操作程式時有任何問題也不用擔心，只要勇敢的舉手，老師或助教就會過來看計算為什麼會Link died，然後告訴你怎麼更改輸入的原子座標或指令使Gaussian順利計算完畢。這堂課最重要的就是學會自己操作這組程式，所以課堂上的「實作」就顯得非常重要。上課時間的配置大概是講授少於50%、實作大於50%，並在每一堂下課前會有一些簡單的練習。這些練習題只要上課時有學會操作方法及技巧就可以很順利完成。至於能不能提早完成提早下課，就要看自己設定原子座標的運氣跟筆電的計算速度了。評量方式最後改成100%都是作業成績，不過大多的作業都是在課堂的最後一小時操作。老師雖然不看模組化點名系統內的出席紀錄，不過如果沒有來上課基本上是不會知道題目也不太可能自行完成作業的，而且缺課接下來的一堂課也有非常大的機率會跟不上。所以建議有意願修這堂課的同學務必要確保能完整的參與五天的課程。
心得
剛學到這個分子模擬的技術時我非常興奮!因為從此之後只要在筆電可以承受的運算量下，我就可以把所有想了解的化合物之平面結構轉成3D結構並覆蓋上電荷分布圖層檢視。前幾個禮拜剛好遇到同學無法想像環癸烯(cis-cyclodecene、trans-cyclodecene)立體異構物的構型，我就馬上建立了一個環癸烯的模型並OPT得到穩定態的結構傳給同學，他馬上就了解順-環癸烯、反-環癸烯的構型差異了。我自己在看有機化學遇到電偶極矩方向不確定時，也常常會自己建立模型來看電荷大概是如何分布的。我真的認為對於化學相關科系來說，這個分子與材料模擬的技術實在是太重要、太方便了，沒有修到真的非常可惜!對於非相關科系同學來說，透過這個技術讓分子活靈活現地呈現在眼前，不只會是非常新奇、有趣的體驗，對跨域化學也會降低不少門檻。
關鍵字 #成大模組化 #量子化學 #分子建模 #預測反應 #實用的技術
