NSF支持计算化学

太阳2平台化学教授庄碧琳说，她的教学目标是让不同背景的学生都能享受到物理化学和计算化学的乐趣. 最近的一项美国国家科学基金会职业基金将通过她的项目“开发一种用于带电大分子溶剂化的混合自适应粒子场模拟方法和一门面向低年级本科生的新型计算化学课程”来支持她的努力.” 

这笔资金将支持庄的研究小组开发一种改进的方法，对溶液中的大分子进行全原子模拟. 全原子模拟是研究分子间相互作用的方便工具, 但是对于溶液中大分子的系统来说，这是非常昂贵的, 自然界中无处不在的DNA分子, 例如). 为了实现这些模拟, 庄和她的研究小组将开发一种模拟方法，可以大大减少考虑分子细节的溶剂分子数量，同时捕捉溶液环境的动态. 该方法将为模拟溶液中的大分子提供方便和加速的工具，并且需要较少的计算资源. “我们希望这种方法能让化学专业的学生更广泛地接触到分子模拟, 所需的计算资源更少，”庄说.

庄还将为低年级本科生开设一门计算化学课程(CHEM 60), 用计算来帮助和激发学生的化学学习. 新的计算化学课程将介绍量子计算的思想, 分子建模, 化学信息学和化学数据在初级化学专业和非专业可访问的水平, 为学生提供可用于广泛STEM学科和职业的计算化学知识. “我们向一年级学生介绍计算化学工具, 在他们中的一些人了解电子轨道之前，”她说. 本课程为学生提供了一种利用计算工具通过主动发现来学习化学概念的方法. 这些代码在Google Colab上运行, 哪些可以在不需要太多基础设施和软件的情况下随时使用. 这样做，我们希望让化学对刚开始学化学的学生更直观和直观.”

在化学60, 通过使用谷歌Colab上的Jupyter笔记本, 学生将通过生成新的代码和数据作为课程材料来参与课程开发. 这些可以被更广泛的高中和大学化学教学团体使用. 化学60的课程项目也涉及化学系的研究项目, 学生也将参与其中. 

庄在Harvey Mudd的团队使用并开发了一系列理论和模拟工具来研究液体中的分子如何组织自己. “例如,她说。, “我们试图理解为什么水如此‘怪异’——而大多数材料在加热时会膨胀, 当你把水加热到0到4摄氏度时，水的密度会变大!”

他们还研究分子如何在水和其他溶剂中相互作用，以及液体中的分子如何在混乱的液体环境中自我组织. “我们的小组通常包括来自广泛学科和背景的学生，因此我们可以从不同的角度看待问题,庄说. “在过去的几年里, 我的小组已经邀请化学家和生物学家来研究像蛋白质和聚电解质这样的大分子是如何在溶液中相互作用的, 物理学家发展统计方法来描述分子结构和热力学理论来描述液体中的分子组织, 计算机科学家正在开发机器学习算法，以破译液体混乱的分子组织中的顺序，并为计算化学和其他许多领域编写有用的Python模块——我的团队甚至接待了历史学家和经济学家.”

该项目计划在五年内支持15名学生. 国家科学基金会的资助是太阳2平台教师研究的最大份额的外部支持.

“我很高兴有机会和本科生一起做这个研究项目, 他们经常提出新的观点和想法。. “能和化学教授Sarah Kavassalis一起教一年级学生《太阳2平台》，我也感到特别兴奋. 通常, 这门课程是为本科生和研究生开设的，有大量的技术材料, 但是我们认为计算对刚开始学化学的学生有很多好处.”