ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ်
ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် (အၚ်္ဂလိက်: Quantum chemistry) ဟီုမ္ဂးဂှ် ဒှ် ကဏ္ဍမွဲ ပ္ဍဲကဵု ဘာသာရပ် ဓာတုဗေဒ (Chemistry) မစကာ လညာတ် ကေုာံ သၞောဝ် သဳအိုရဳ ကွမ်တမ် (Quantum mechanics) သွက်ဂွံ သ္ၚေဝ်ဂၠေပ်၊ သောင်ကလး ကေုာံ တွက်ဂၠာဲ သဘာဝ ရုပ်ဝတ္ထု မဝ်လဳကျုု (Molecules) ကေုာံ အက်တမ် (Atoms) တအ် ရ။ ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် ဝွံ လ္ၚတ် ပရူ ဗီုလဵု အဳလက်ထရွန် (Electrons) တအ် ချဳဓရာင် ပ္ဍဲကဵု အက်တမ်၊ ဗီုလဵု ဍေဟ်တအ် ဖန်ဗဒှ် ဇုက်ဓါတ် (Chemical bonds) ကေုာံ ဗီုလဵု ပရေင်ပြံင်လှာဲ ဓာတု (Chemical reactions) တအ် ကတဵုဒှ် လတူ ကဆံင် မဍောတ်သွတ် အိုတ် ရ။[၁]
ဟိုတ်နူကဵု ပရေင်ချပ်ဂၞန် ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် ဝွံ နွံကဵု ဖော်မျူလာ သင်္ချာ မထုဲထံင် ဗွဲမလောန် ဂှ်ရ၊ ပ္ဍဲကဵု ခေတ်လၟုဟ် ညးတအ် စကာ ကောန်ပျူတာ (Computers) မနွံကဵု အစောံသတ္တိ သၠုင် သွက်ဂွံ သောင်ကလး ပြသၞာ တအ် ဏအ် ရ။ လိက်ပရေင် ဏအ်ဝွံ သ္ၚေဝ်ဂၠေပ် လဝ် ပရူ ဝင်၊ သဇိုင် သဳအိုရဳ၊ လဒက်ပတန်၊ ကေုာံ အပလဳကေယှေန် ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် အလုံအိုတ်သီု ရ။
၁။ နိဒါန် ကေုာံ ပွံက်အဓိပ္ပါယ် (Introduction and Definition)
[ပလေဝ်ဒါန် | ပလေဝ်ဒါန် တမ်ကၞက်]ရူပဗေဒ ခေတ်တြေံ (Classical physics) ဝွံ သောင်ကလး ပရူ သဘာဝ ရုပ်ဝတ္ထု ဇၞော်ဇၞော် တအ် မာန် ကီုလေဝ်၊ သွက်ဂွံ သောင်ကလး ပရူ ဇုက်ဓါတ် (Chemical bonding) အကြာ အက်တမ် တအ်ဂှ် လီုလာ် အာ ရ။ ဥပမာ - မုဟိုတ် အက်တမ် ဟိုက်ဒရဝ်ဂျေန် ၜါမ ပံင်ကောံ တုဲ ဒှ်အာ မဝ်လဳကျုု $H_2$ ရော ဂှ် ရူပဗေဒ ဓမ္မတာ သောင်ကလး ဟွံမာန် ရ။
ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် ဝွံ စကာ သဘာဝ လပှ်-ပါတိကေလ် (Wave-particle duality) ကေုာံ အဳကွေယှေန် သရဝ်ဒေန်ဂါ (Schrödinger equation) သွက်ဂွံ တွက်ဂၠာဲ ဒြဟတ် (Energy) ကေုာံ အကာဲအရာ အဳလက်ထရွန် တအ် ရ။ ဍေဟ်ဝွံ ဒှ် ဒဒန် မဆက်စပ် ကဵု အကြာ ရူပဗေဒ မလ္ၚတ် သၞောဝ် သဘာဝ ကေုာံ ဓာတုဗေဒ မလ္ၚတ် လဒက်ပတန် ရုပ်ဝတ္ထု တအ် ရ။
၂။ ဝင် ကေုာံ ပရေင်ဇၞော်မောဝ် (History and Development)
[ပလေဝ်ဒါန် | ပလေဝ်ဒါန် တမ်ကၞက်]ဝင် ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် ဝွံ စတင် လဝ် ပ္ဍဲ သၞာံ ၁၉၂၇ အခိင် တၠပညာ ရူပဗေဒ ဝေါလ်တာ ဟိုက်လာ (Walter Heitler) ကေုာံ ဖရစ် လန်ဒန် (Fritz London) တအ် မစကာ သဳအိုရဳ ကွမ်တမ် သွက်ဂွံ တွက်ဂၠာဲ ဇုက်ဓါတ် ပ္ဍဲ မဝ်လဳကျုု ဟိုက်ဒရဝ်ဂျေန် ($H_2$) အလန် ကိုပ်ကၠာအိုတ် ရ။[၂]
လက္ကရဴ ဂှ် ပ္ဍဲ သၞာံ ၁၉၃၀ တအ် ဂှ်၊ လိနပ် ပေါလိန် (Linus Pauling) ခၞံဗဒှ် လဝ် သဳအိုရဳ ဇုက်ဓါတ် ဗေလန် (Valence bond theory) မသောင်ကလး ပရူ ပရေင်ထပ်လတူ ဂၠံင်တရဴ (Orbital hybridization) သွက်ဂွံ ဖန်ဗဒှ် ဇုက်ဓါတ် မာန် ရ။ ပ္ဍဲ အခိင် မွဲစွံ ဂှ် ညးတၞဟ် မပ္တံကဵု ရောဘတ် မာလဳကေန် (Robert Mulliken) တအ် လေဝ် ခၞံဗဒှ် လဝ် သဳအိုရဳ ဂၠံင်တရဴ မဝ်လဳကျုု (Molecular orbital theory) မဒှ် သၞောတ် မစကာ ဂၠိုင်အိုတ် ပ္ဍဲ ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် ခေတ်တၟိ ရ။
၃။ သဇိုင် သဳအိုရဳဂမၠိုင် (Fundamental Theories)
[ပလေဝ်ဒါန် | ပလေဝ်ဒါန် တမ်ကၞက်]ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် ဝွံ ဒက်ပတန် လဝ် လတူ သဇိုင် သဳအိုရဳ ကေုာံ ဖော်မျူလာ အဓိက ၜါ သာ် ရ -
၃.၁။ အဳကွေယှေန် သရဝ်ဒေန်ဂါ (Schrödinger Equation)
[ပလေဝ်ဒါန် | ပလေဝ်ဒါန် တမ်ကၞက်]သဇိုင် အဓိက သွက် ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် ဂှ် ဒှ် အဳကွေယှေန် သရဝ်ဒေန်ဂါ ဟွံပြံင်လှာဲ အတိုင် အခိင် (Time-independent Schrödinger equation) ရ - $$\hat{H}\psi = E\psi$$ ဒၞာဲဏအ် $\hat{H}$ ဂှ် ဒှ် ဟာမေလ်တဝ်နဳယာန် အဝ်ပရေတာ (Hamiltonian operator) မထ္ၜးကဵု ဒြဟတ် ကေန်နတစ် ကေုာံ ဒြဟတ် ပဝ်တေန်ရှယ် (Kinetic and potential energy) သီုဖအိုတ် ပ္ဍဲ သၞောတ် ရ။ $\psi$ ဂှ် ဒှ် ဗီုပြင် အကာဲအရာ လပှ် (Wavefunction) တုဲ $E$ ဂှ် ဒှ် ဒြဟတ် သီုဖအိုတ် (Total energy) ရ။
၃.၂။ မသောင်ကလး ဘောန်-အဝ်ပေန်ဟာင်မာ (Born-Oppenheimer Approximation)
[ပလေဝ်ဒါန် | ပလေဝ်ဒါန် တမ်ကၞက်]ဟိုတ်နူကဵု ပရေင်တွက်ဂၠာဲ $\hat{H}\psi = E\psi$ သွက် မဝ်လဳကျုု ဇၞော်ဇၞော် တအ်ဂှ် ဇြိုင်သန် လောန် ဂှ်ရ၊ မက်စ် ဘောန် (Max Born) ကဵု အဝ်ပေန်ဟာင်မာ (J. Robert Oppenheimer) တအ် ပတိုန်ထ္ၜး လဝ် နဲကဲ သောင်ကလး မွဲ ရ။ ညးတအ် ဟီုတွံ လဝ် ဒဒှ်ရ "ဟိုတ်နူ နယူကလဳယပ် (Nuclei) တအ်ဂှ် ဇြိုင် နူ အဳလက်ထရွန် ဂၠိုင်ကဵု လ္ၚီ ဆ ဂှ်ရ၊ ပိုယ် စၟတ်သမ္တီ ဒဒှ်ရ နယူကလဳယပ် တအ်ဂှ် ဟွံချဳဓရာင် (Fixed in place) တုဲ တွက်ဂၠာဲ ဆ ပရေင်ချဳဓရာင် အဳလက်ထရွန် သၟး မာန် ရ"။ အရာဏအ် ပကဵု ညံင် ပရေင်ချပ်ဂၞန် ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် ဂွံ လောဲသွာ အာ ဗွဲမလောန် ရ။
၄။ လဒက်ပတန် အဳလက်ထရွန် ကေုာံ ဂၠံင်တရဴ (Electronic Structure and Orbitals)
[ပလေဝ်ဒါန် | ပလေဝ်ဒါန် တမ်ကၞက်]ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် ဝွံ သောင်ကလး ပရူ ဗီုလဵု အဳလက်ထရွန် တအ် တန်တဴ ဒၟံင် ပ္ဍဲ အက်တမ် ကေုာံ မဝ်လဳကျုု ရ။
- ဂၠံင်တရဴ အက်တမ် (Atomic Orbitals): အဳလက်ထရွန် တအ် ဟွံဂေတ် ဒၟံင် ပ္ဍဲ လၟေင် ဂၠံင် မချိုတ်ပၠိုတ် ပုဟ်။ ဍေဟ်တအ် နွံ ဒၟံင် နဒဒှ် တမ် လီု (Probability clouds) မကော်စ Orbitals (ဥပမာ $s, p, d, f$) ရ။
- ဂၠံင်တရဴ မဝ်လဳကျုု (Molecular Orbitals - MO): ကာလ အက်တမ် ၜါ ပံင်ကောံ မ္ဂး၊ ဂၠံင်တရဴ အက်တမ် တအ် ပံင်ကောံ အာ ရေင်သကအ် (Linear Combination of Atomic Orbitals - LCAO) တုဲ ဒှ်အာ ဂၠံင်တရဴ မဝ်လဳကျုု ရ။ ယဝ်ရ ပရေင်ပံင်ကောံ ဂှ် ထပ်လတူ ခိုဟ် မ္ဂး ဒှ် ဇုက်ဓါတ် (Bonding MO)၊ ယဝ်ရ ဒစးဒုင် ရေင်သကအ် မ္ဂး ဒှ် ပရေင်ပါ်ပြး (Antibonding MO) ရ။
၅။ နဲကဲ ဟာထရဳ-ဖံက် ကေုာံ သဳအိုရဳ ကြပ်ညောန် (Hartree-Fock and Post-HF Methods)
[ပလေဝ်ဒါန် | ပလေဝ်ဒါန် တမ်ကၞက်]သွက်ဂွံ တွက်ဂၠာဲ Wavefunction သွက် မဝ်လဳကျုု မနွံကဵု အဳလက်ထရွန် ဂၠိုင်င် ဂှ်၊ တၠပညာ တအ် စကာ နဲကဲ ဟာထရဳ-ဖံက် (Hartree-Fock Method - HF) ရ။ နဲကဲ ဏအ်ဝွံ စၟတ်သမ္တီ လဝ် ဒဒှ်ရ အဳလက်ထရွန် ဇၟာပ်ဇၟာပ် မွဲ ချဳဓရာင် ဒၟံင် ပ္ဍဲကဵု လပှ် ဒြဟတ် လဒေါဝ် (Mean field) မဖန်ဗဒှ် လဝ် နကဵု အဳလက်ထရွန် တၞဟ် သီုဖအိုတ် ရ။[၃]
ၜိုန်ရ HF ကဵု သွဟ် ခိုဟ် ကီုလေဝ်၊ ဍေဟ် ဟွံပါလုပ် ကဵု "ပရေင်ဆက်စပ် အဳလက်ထရွန်" (Electron correlation) မဒှ် ပရေင် ဒစးဒုင် အကြာ အဳလက်ထရွန် ၜါမ ဗွဲမချိုတ်ပၠိုတ် ရ။ သွက်ဂွံ ပသောင် ပြသၞာ ဏအ်၊ ညးတအ် စကာ နဲကဲ Post-Hartree-Fock ဂမၠိုင် မပ္တံကဵု Møller–Plesset perturbation theory (MP2, MP4) ကေုာံ Coupled Cluster (CCSD(T)) မဒှ် သၞောတ် မချိုတ်ပၠိုတ် အိုတ် (Gold standard) ပ္ဍဲ ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် ရ။
၆။ သဳအိုရဳ လဒက်ပတန် ဒြဟတ်တန်တဴ (Density Functional Theory - DFT)
[ပလေဝ်ဒါန် | ပလေဝ်ဒါန် တမ်ကၞက်]ပ္ဍဲကဵု ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် ခေတ်လၟုဟ် ဂှ်၊ သၞောတ် မစကာ ဂၠိုင်အိုတ် ဂှ် ဒှ် သဳအိုရဳ လဒက်ပတန် ဒြဟတ်တန်တဴ (Density Functional Theory - DFT) ရ။ သၞောတ် ဏအ်ဝွံ ဒက်ပတန် လဝ် နကဵု သဳအိုရဳ ဟဝ်ဟေန်ဘာတ်-ကွန် (Hohenberg-Kohn theorems) မဟီုတွံ လဝ် ဒဒှ်ရ "ဒြဟတ် အလုံအိုတ်သီု သွက် သၞောတ် မွဲဂှ် မာန် တွက်ဂၠာဲ နူကဵု ပရေင်ပါ်ပြး ဒြဟတ်တန်တဴ အဳလက်ထရွန် (Electron density) သက်သက် ရ"၊ ဟွံနွံပၟိက် Wavefunction မထုဲထံင် တအ် ရ။
| နဲကဲ (Method) | ပရေင်ချိုတ်ပၠိုတ် (Accuracy) | အခိင် ကောန်ပျူတာ ဒးကေတ် (Computational Cost) | လွပ် အဓိက |
|---|---|---|---|
| ဟာထရဳ-ဖံက် (HF) | သဝ် | လောဲသွာ ($O(N^4)$) | သဇိုင် သွက် နဲကဲ တၞဟ် |
| DFT (B3LYP) | လဒေါဝ်-သၠုင် | လောဲ-လဒေါဝ် ($O(N^3)$) | မဝ်လဳကျုု ဇၞော်၊ ကောန်ဒကုတ် ဇဳဝ |
| MP2 | သၠုင် | ဇြိုင် ($O(N^5)$) | ဇုက်ဓါတ် ဟိုက်ဒရဝ်ဂျေန် (Hydrogen bonds) |
| CCSD(T) | သၠုင်အိုတ် (Gold standard) | ဇြိုင် ဗွဲမလောန် ($O(N^7)$) | သွဟ် မချိုတ်ပၠိုတ် အိုတ် သွက် မဝ်လဳကျုု ဍောတ် |
၇။ ကွတ်ကောန်ပျူတာ ပ္ဍဲ ဓာတုဗေဒ (Computational Chemistry)
[ပလေဝ်ဒါန် | ပလေဝ်ဒါန် တမ်ကၞက်]ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် ဝွံ ဒှ် သဇိုင် သွက် ဘာသာရပ် ကွတ်ကောန်ပျူတာ ပ္ဍဲ ဓာတုဗေဒ (Computational Chemistry) ရ။ တၠပညာ တအ် စကာ သပ်ဝလ် (Software) ကောန်ပျူတာ မပ္တံကဵု Gaussian, VASP, Q-Chem, ကေုာံ ORCA သွက်ဂွံ တွက်ဂၠာဲ သွဟ် ဓာတုဗေဒ တအ် ရ။[၄]
နကဵု ပရေင်စကာ ကောန်ပျူတာ စူပါ (Supercomputers) တအ်ဂှ်၊ ပိုယ် မာန် တွက်ဂၠာဲ -
- ဗီုလဵု မဝ်လဳကျုု တအ် ရုပ်သာ် သဏ္ဌာန် နွံရော (Geometry optimization)
- ဗီုလဵု ဓါတ်တအ် ပြံင်လှာဲ ကတဵုဒှ် (Reaction pathways & Transition states)
- ဗီုလဵု ဍေဟ်တအ် တုပ်သၟဟ် ကဵု လျး (Spectroscopy, UV-Vis, IR)
၈။ အပလဳကေယှေန် ကေုာံ လွပ်ဂမၠိုင် (Applications and Usages)
[ပလေဝ်ဒါန် | ပလေဝ်ဒါန် တမ်ကၞက်]ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် ဝွံ နွံကဵု လွပ် ဗွဲမလှဲလး ပ္ဍဲကဵု ကဏ္ဍ နာနာ သာ် ရ -
- ပရေင်ဖန်ဇန် ဂဥုဲ (Drug Design): စကာ သွက်ဂွံ တွက်ဂၠာဲ ဗီုလဵု မဝ်လဳကျုု ဂဥုဲ (Drug molecules) တအ် ဇီုကပိုက် ကဵု ပရဝ်တေန် (Proteins) ပ္ဍဲ ခန္ဓာကိုယ် မၞိဟ် ဗွဲမချိုတ်ပၠိုတ် ရ။
- သိပ္ပံ ရုပ်ဝတ္ထု (Materials Science): သွက်ဂွံ ဖန်ဗဒှ် ရုပ်ဝတ္ထု တၟိ မပ္တံကဵု ဘက်ထရဳ (Batteries) မခိုဟ်တိုန်၊ သေမဳကွန်ဒတ်တာ၊ ကေုာံ ကောန်ဒကုတ် နာနဝ် (Nanomaterials) ရ။
- ဓာတုဗေဒ ပရေင်လလောင် (Catalysis): သွက်ဂွံ သ္ၚေဝ်ဂၠေပ် ဗီုလဵု ကာတ်တလစ် (Catalysts) တအ် ပကဵု ညံင် ပရေင်ပြံင်လှာဲ ဓာတု ဂွံ ပြဟ်တိုန် ပ္ဍဲ ရုံစက် ကမၠောန် ဇၞော်ဇၞော် တအ် ရ။
၉။ ပြသၞာ ကေုာံ အခက်အခုဲ (Challenges and Limitations)
[ပလေဝ်ဒါန် | ပလေဝ်ဒါန် တမ်ကၞက်]ၜိုန်ရ ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် ဝွံ နွံကဵု အစောံသတ္တိ ဇၞော် ကီုလေဝ်၊ ဍေဟ် နွံကဵု အခက်အခုဲ အဓိက မွဲ - ဂှ်တုန် "ပရေင်ဇၞော်တိုန် အခိင် တွက်ဂၞန်" (Scaling problem) ရ။
ယဝ်ရ လၟိဟ် အဳလက်ထရွန် ပ္ဍဲ မဝ်လဳကျုု မွဲ ဇၞော်တိုန် အာ မ္ဂး၊ အခိင် သွက် ကောန်ပျူတာ ဂွံ တွက်ဂၠာဲ သွဟ် ဂှ် ဇၞော်တိုန် အာ အတိုင် လၟေင် ဒြဟတ်စောမ် ၄ ဟွံသေင်မ္ဂး ၇ ($O(N^4)$ to $O(N^7)$) ရ။ ဟိုတ်ဂှ်ရ သွက် မဝ်လဳကျုု ဇီဝ ဇၞော်ဇၞော် မပ္တံကဵု DNA ဟွံသေင်မ္ဂး ပရဝ်တေန် တအ်ဂှ် ပရေင်တွက်ဂၠာဲ နကဵု သၞောတ် ကွမ်တမ် ချိုတ်ချိုတ်ပၠိုတ်ပၠိုတ် ဂှ် တွက် ဟွံမာန် ဏီ ရ။ တၠပညာ တအ် ဒးစကာ နဲကဲ မဖျေဟ် ကဆံင် (Approximations) မပ္တံကဵု QM/MM (Quantum Mechanics / Molecular Mechanics) မပံင်ကောံ လဝ် နဲကဲ ၜါ သာ် ရ။
၁၀။ အနာဂတ် ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် (Future of Quantum Chemistry)
[ပလေဝ်ဒါန် | ပလေဝ်ဒါန် တမ်ကၞက်]အနာဂတ် သွက် ဓာတုဗေဒ ကွမ်တမ် ဂှ် ဆက်စပ် ဒၟံင် ဗွဲမဇၞော် ကု ပရေင်ဇၞော်မောဝ် ကွမ်တမ် ကောန်ပျူတာ (Quantum Computing) ရ။ ကောန်ပျူတာ ဓမ္မတာ တအ်ဂှ် တွက်ဂၠာဲ သဘာဝ ကွမ်တမ် ဇြိုင်သန် ကီုလေဝ်၊ ကောန်ပျူတာ ကွမ်တမ် တအ်ဂှ် ဖန်ဗဒှ် လဝ် နကဵု သဘာဝ ကွမ်တမ် ဇေတ်တ် တုဲ ဍေဟ်တအ် မာန် စမ်ၜတ် (Simulate) မဝ်လဳကျုု တအ် ဗွဲမလောဲသွာ ရ။[၅]
အလ်ဂဝ်ရဳသမ် တၟိ မပ္တံကဵု Variational Quantum Eigensolver (VQE) တအ်ဝွံ ကဵုလဝ် ဂၠံင်တရဴ သွက်ဂွံ သောင်ကလး ပြသၞာ မဝ်လဳကျုု မထုဲထံင် မတွက် ဟွံမာန် နကဵု စူပါ ကောန်ပျူတာ ခေတ်လၟုဟ် ပ္ဍဲကဵု သၞာံ မကၠုင် ဂတ ဏအ် ရောင်။
နိဿဲဂမၠိုင်
[ပလေဝ်ဒါန် | ပလေဝ်ဒါန် တမ်ကၞက်]- ↑ Levine, I. N. (2013). Quantum Chemistry, 7th, Pearson, 1-12။
- ↑ Heitler, W. (1927). "Wechselwirkung neutraler Atome und homöopolare Bindung nach der Quantenmechanik". Zeitschrift für Physik 44 (6-7): 455-472.
- ↑ Szabo, A. (1996). Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory. Dover Publications, 50-60။
- ↑ Cramer, C. J. (2004). Essentials of Computational Chemistry: Theories and Models, 2nd, John Wiley & Sons, 140-150။
- ↑ McArdle, S. (2020). "Quantum computational chemistry". Reviews of Modern Physics 92 (1): 015003.
ဆက်ဗှ်လ္ၚတ်
[ပလေဝ်ဒါန် | ပလေဝ်ဒါန် တမ်ကၞက်]- ဓာတုဗေဒ (Chemistry)
- သဳအိုရဳ ကွမ်တမ် (Quantum mechanics)
- အဳကွေယှေန် သရဝ်ဒေန်ဂါ (Schrödinger equation)
- ကွမ်တမ် ကောန်ပျူတာ (Quantum computing)