YACOO: 化学世界的10大未解之谜：分子如何形成？

        在高中化学课本里面，分子结构可算是最主要的内容之一。但是，这些看上去由“球”（代表原子）和“棍”（代表化学键）构成的模型已经有些年头了。并不是没有更新的模型，问题在于，科学家在更为准确的分子外观模型方面，并未取得一致意见。
       20世纪20年代，沃尔特·海特勒（Walter Heitler）和弗里茨·伦敦（Fritz London）应用刚刚兴起的量子力学理论，向人们展示了如何描述化学键的形成。此后不久，美国著名化学家鲍林（Linus Pauling）又提出了杂化轨道理论，认为当不同原子的电子轨道在空间上重合时，就会形成化学键。而罗伯特·马利肯（Robert Mulliken）和弗雷德里希·洪德（Friedrich Hund）却提出了截然不同的理论：化学键的形成，是原子轨道并入一个包括多个原子的“分子轨道”的结果。那时的理论化学看起来就像物理学的一个分支。
        近100年后，分子轨道模型成为认可度最高的一种。但对于这种模型是否研究分子的最佳工具，化学家仍然没有达成一致。原因在于，这类分子模型，以及其他所有简化了的假想模型都不够精确，只能部分描述分子结构。事实上，分子就是电子云中的一团原子核，并通过相反的静电力，与另外一团原子核进行着一场永不停止的“拔河游戏”，而且所有的组成部分都在不停地运动和重组。现有的分子模型通常试图将这样一种处于动态的实体变为静态，并且明确各个组分之间的关系，这种做法会显示出分子的一些突出性质，但同时也会将其他信息忽略掉。
而对于每天的工作就是破坏和构建化学键的化学家来说，量子理论又无法为化学键提供一个符合他们直觉的独特定义。现在，很多人定义分子的方法，都是把分子看作是一堆通过化学键结合在一起的原子。在德国波鸿－鲁尔大学的量子化学家多米尼克·马克斯（Dominik Marx）看来，这些描述都有一个共同的毛病，那就是“在某些情况下是正确的，但换到其他条件下，就是错误的”。
        现在，科学家可以根据量子第一性原理（quantum first principles），通过计算机模拟来计算分子的结构和性质——只要电子数量相对较少，就能获得精确度很高的结果。“计算化学可以极度现实化和复杂化，”马克斯说。因此，计算机模拟越来越被看作是一种虚拟实验，用来预测一个化学反应的过程。但是，一旦某个反应的模拟计算不再局限于几十个电子，计算量就将变得巨大无比，即使最先进的计算机恐怕也无法胜任。因此，我们面临的挑战将会是能否放大模拟范围，比如细胞中的复杂分子过程或某些复杂材料的分子结构。
来源: 环球科学-科学美国人中文版(北京)