在化学的世界里，分子是构成物质的基本单元。分子的结构和性质决定了物质的宏观性质。然而，分子实在太小，我们无法直接观察到它们的结构和行为。量子化学计算，就是这样一种利用计算机模拟分子的结构和性质，从而“看”到分子世界，并预测分子行为的强大工具。
什么是量子化学计算？
量子化学计算是应用量子力学的原理和方法，通过计算机模拟来研究化学体系的结构、性质和反应的理论方法。
量子化学计算的核心是求解描述电子行为的薛定谔方程。然而，对于多电子体系，薛定谔方程非常复杂，难以精确求解。因此，量子化学计算需要采用各种近似方法，如：
- Hartree-Fock（HF）方法：一种基于单电子近似的方法，忽略了电子间的瞬时相互作用。
- 后Hartree-Fock方法：在HF方法的基础上考虑电子相关效应，如微扰理论（MPn）、组态相互作用（CI）、耦合簇理论（CC）等。
- 密度泛函理论（DFT）：将体系的基态能量表示为电子密度的泛函，计算量相对较小，精度较高，是目前应用最广泛的量子化学方法。
- 半经验方法: 使用经验参数来简化计算, 适用于大体系的计算.
量子化学计算通常需要选择合适的理论方法和基组。理论方法的选择决定了计算的精度和计算量，基组的选择决定了描述原子轨道的精度。
量子化学计算能做什么？
量子化学计算可以用于预测和解释分子的各种性质，例如：
- 分子结构：
- 计算分子的几何构型，确定分子的键长、键角等。
- 寻找分子的稳定构象。
- 分子能量：
- 计算分子的总能量、形成能、键能等。
- 分子光谱：
- 计算分子的振动频率和红外光谱。
- 计算分子的电子光谱（紫外-可见光谱）。
- 计算分子的核磁共振谱（NMR）。
- 分子性质：
- 计算分子的偶极矩、极化率、电荷分布等。
- 计算分子的反应活性。
- 化学反应：
- 寻找化学反应的过渡态。
- 计算反应的活化能和反应热。
- 研究反应机理。
- 分子间相互作用:
- 计算分子间的相互作用能.
量子化学计算的应用
量子化学计算广泛应用于各个领域：
- 化学：
- 研究分子的结构和性质。
- 研究化学反应的机理和动力学。
- 设计和预测新分子。
- 药物设计：
- 研究药物分子与靶标蛋白的相互作用。
- 筛选和优化药物分子。
- 预测药物分子的性质.
- 材料科学：
- 研究材料的电子结构和性质。
- 设计和开发新型材料。
- 生物学：
- 研究生物大分子的结构和性质.
- 环境科学：
- 研究大气化学反应。
- 其他:
- 纳米科学, 能源科学等.
量子化学计算的局限性
尽管量子化学计算是一种强大的工具，但它也存在一些局限性：
- 计算量大：对于大分子体系（如蛋白质、聚合物），量子化学计算的计算量非常大，通常需要高性能计算机。
- 精度限制：量子化学计算的精度受所采用的理论方法和基组的限制。
- 模型简化：量子化学计算通常会对实际体系进行简化，例如忽略溶剂效应、使用周期性边界条件等。