科学家观察水蚤在水面上滑行时，如果从水蚤整体尺度（厘米尺度）思考，无法解释它为什么不服从阿基米德关于浮力的定律。而当把水蚤的腿脚部放到电子显微镜下观察，发现其腿部的结构是微纳尺度的，毛刺之间可以滞留大量小气泡，而且小气泡又不易破裂，所以水蚤是踏着四个大气囊在水面上滑行的。

水蚤及腿部的结构

同样的现象也出现在壁虎的观察中，壁虎在天花板上爬行，为什么不因重力跌落呢？

在电子显微镜下观察壁虎的脚部，发现其也呈微纳结构，发达的纳米刚毛上具有活性细胞组织，与光滑表面也有亲和黏附力，而且更为神奇的是，脚部方向的改变，可以使刚毛尾端的朝向改变，就可把脚从壁面上举起而向前迈步了。

壁虎脚毛的结构

由此可见，如果在某个尺度下无法解释所观察的现象，若从另一尺度再去观察，或许就能给出解释。正因为如此，2013 年诺贝尔化学奖颁给了三位美国科学家马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特和阿里耶·瓦谢勒（Martin Karplus, 1930—  ；Michael Levitt，1947—  ；Arieh Warshel，1940—  ），以表彰他们为复杂化学系统创立了多尺度模型。

2013 年诺贝尔化学奖得主

诺贝尔化学奖评选委员会在新闻稿中解释了三位获奖者的研究成果。他们说，卡普拉斯、莱维特和瓦谢勒研究的开创性在于，他们让经典物理学与迥然不同的量子物理学在化学研究中“并肩作战”。以前，化学家必须二选其一。依靠用塑料棒和杆创建模型的经典物理学方法的优势在于计算简单且能为大分子建模，但其无法模拟化学反应。而如果化学家选择使用量子物理学计算化学反应过程，但巨大的计算量使得其只能应付小分子。为此，在20世纪70年代，这三位科学家设计出这种多尺度模型，让传统的化学实验走上了信息化的快车道。

多尺度复杂化学系统模型的出现无疑翻开了化学史的“新篇章”。化学反应发生的速度堪比光速。刹那间，电子就从一个原子核跳到另一个原子核，以前，对化学反应的每个步骤进行追踪几乎是不可能完成的任务。而在由这三位科学家研发出的多尺度模型的辅助下，化学家们让计算机做“做帮手”来揭示化学过程。例如，在模拟药物如何同身体内的目标蛋白耦合时，计算机会对目标蛋白中与药物相互作用的原子执行量子理论计算；而使用要求不那么高的经典物理学来模拟其余的大蛋白，从而精确掌握药物发生作用的全过程。

研究成果示意图

诺贝尔化学奖评选委员会在当天发表的声明中说，现在，对化学家来说，计算机是同试管一样重要的工具，计算机对真实生命的模拟已为化学领域大部分研究成果的取得立下了“汗马功劳”。通过模拟，化学家能更快获得比传统实验更精准的预测结果。

他们通过计算化学贯通了量子尺度 - 分子尺度的界限，利用量子力学，在合理近似的前提下对分子结构、性质、反应活性及机理进行模型计算，预测源于电子相互作用的吸附、化学反应中成键与断键现象，如研究光合作用等。

分子尺度研究虽可知与光合作用有关的蛋白质三维结构，清楚地知道其原子、离子相对位置，却不知其在反应中的作用。阳光照射，使分子处于激发态，但在如何理解其机制上还有不足。量子物理学基于电子的波粒二重性，对分子内部每个电子和每个原子核的海量计算，为经典化学与量子化学两尺度间的贯通打开了一扇门，卡普拉斯开发的计算程序用量子物理原则模拟了反应过程。莱维特和瓦谢勒则使量子化学与经典物理结合，根据有些分子中的部分电子可在几个原子核之间自由运动原理，建立了“视网膜结构”模型，简化了关键核心原子的计算过程，提高了可操作性。化学家正在研究飞秒（10-15秒）尺度下的化学反应历程，因为决定反应物是依主反应方向进行，还是依副反应方向进行，是反应物料在越过能垒的瞬间发生的。

如果最终能控制化学反应，使其反应完全是依正反应产物转化，而没有副反应产生，就必然要研究飞秒尺度下的反应行为。由于副反应产物多半是我们不需要的，甚至是污染物，这样就可以大大提高资源产出率，减少污染，这就是合成化学家的梦想，属于跨时间尺度行为的研究。

综合自《科技创新启示录：创新与发明大师轶事》、百度百科

图书作者：金涌

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