النموذج الجزيئي

النموذج الجزيئي هو نموذج فيزيائي لنظام ذري يُمثل الجزيئات وعملياتها. وتلعب هذه النماذج دورًا هامًا في فهم الكيمياء وتوليد الفرضيات واختبارها . يُطلق على إنشاء النماذج الرياضية للخصائص والسلوك الجزيئي اسم النمذجة الجزيئية ، ويُطلق على تمثيلها البياني اسم الرسومات الجزيئية .

يشير مصطلح "النموذج الجزيئي" إلى الأنظمة التي تحتوي على ذرة واحدة أو أكثر بشكل صريح (مع إمكانية تمثيل ذرات المذيب ضمنيًا)، حيث يتم إهمال البنية النووية . وغالبًا ما يتم أيضًا حذف البنية الإلكترونية إلا إذا كانت ضرورية لتوضيح وظيفة الجزيء الذي يتم نمذجته.

يمكن إنشاء النماذج الجزيئية لعدة أسباب - كأدوات تعليمية للطلاب أو أولئك غير الملمين بالهياكل الذرية؛ كأشياء لتوليد أو اختبار النظريات (مثل بنية الحمض النووي)؛ كأجهزة كمبيوتر تناظرية (مثل قياس المسافات والزوايا في الأنظمة المرنة)؛ أو كأشياء ممتعة من الناحية الجمالية على حدود الفن والعلم.

غالبًا ما يكون بناء النماذج المادية عملية إبداعية، وقد صُممت العديد من النماذج المصممة خصيصًا بعناية فائقة في ورش عمل الأقسام العلمية. تتنوع أساليب النمذجة المادية بشكل كبير، بدءًا من نماذج الكرة والعصا المتوفرة تجاريًا، وصولًا إلى النماذج الجزيئية المُنشأة باستخدام طابعات ثلاثية الأبعاد . كانت الاستراتيجية الرئيسية، في البداية في الكتب الدراسية والمقالات البحثية، ثم لاحقًا على أجهزة الحاسوب، هي استخدام الرسومات الجزيئية. وقد سهّلت هذه الرسومات عملية عرض النماذج الجزيئية على أجهزة الحاسوب، وجعلتها أكثر سهولة وأقل تكلفة، على الرغم من أن النماذج المادية لا تزال تُستخدم على نطاق واسع لتعزيز الرسالة الحسية والبصرية.

في القرن السابع عشر، تكهن يوهانس كيبلر بتناظر رقاقات الثلج والتراص المتقارب للأجسام الكروية مثل الفاكهة. ^{[ 1 ]} وقد أثر الترتيب المتناظر للكرات المتراصة على نظريات التركيب الجزيئي في أواخر القرن التاسع عشر، واستخدمت العديد من نظريات علم البلورات وبنية المواد الصلبة غير العضوية مجموعات من الكرات المتساوية وغير المتساوية لمحاكاة التراص والتنبؤ بالبنية.

مثّل جون دالتون المركبات على أنها تجمعات من الذرات الدائرية، وعلى الرغم من أن يوهان جوزيف لوشميدت لم يبتكر نماذج مادية، إلا أن مخططاته القائمة على الدوائر هي نظائر ثنائية الأبعاد للنماذج اللاحقة. ^{[ 2 ]}

يُنسب الفضل إلى أوغست فيلهلم فون هوفمان في وضع أول نموذج جزيئي فيزيائي حوالي عام 1860. ^{[ 3 ]} النموذج الباقي للميثان مأخوذ من خطابه المسائي يوم الجمعة في 7 أبريل 1865 في المؤسسة الملكية ، حيث استخدم كرات الكروكيه لتوضيح التراكيب الكيميائية المختلفة:

وهكذا نميز ذرة الكلور بأنها أحادية التكافؤ، وذرة الأكسجين بأنها ثنائية التكافؤ، وذرة النيتروجين بأنها ثلاثية التكافؤ، وأخيرًا ذرة الكربون بأنها رباعية التكافؤ. - أعتقد أنني أستطيع توضيح ذلك لكم بطريقة بسيطة للغاية. سأختار، بإذنكم، مثالًا توضيحيًا من لعبة الكروكيه الممتعة. لنفترض أن كرات الكروكيه تمثل ذراتنا، ولنميز ذرات العناصر المختلفة بألوان مختلفة. الكرات البيضاء هي ذرات الهيدروجين، والخضراء هي ذرات الكلور؛ ذرات الأكسجين النارية حمراء، وذرات النيتروجين زرقاء؛ أما ذرات الكربون، فتمثلها الكرات السوداء. ولكن علينا، بالإضافة إلى ذلك، أن نوضح قدرة هذه الذرات على الارتباط. نحقق ذلك عن طريق تثبيت عدد من الأذرع المعدنية (الأنابيب والدبابيس) في الكرات، والتي تتوافق على التوالي مع قوى الترابط للذرات الممثلة، والتي، بينما تشكل سمة تمييز إضافية، تمكننا في الوقت نفسه من ربط الكرات وبناء نوع من الهياكل الميكانيكية بهذه الطريقة على غرار المباني الذرية المراد توضيحها. ^{[ 4 ]}

استخدم هوفمان هذا كنموذج توضيحي ، وليس كتمثيل للواقع: فالعصي لا تمثل روابط مادية، ولا الجزيء الفعلي كونه مستوياً.

لم يتم إدراك أهمية الكيمياء الفراغية آنذاك، والنموذج طوبولوجي بشكل أساسي (يجب أن يكون رباعي الأوجه ثلاثي الأبعاد ).

قدّم جاكوبوس هنريكوس فان هوف وجوزيف لو بيل مفهوم الكيمياء في ثلاثة أبعاد مكانية، أي الكيمياء الفراغية. وقد بنى فان هوف جزيئات رباعية الأوجه تمثل الخصائص ثلاثية الأبعاد للكربون .

ستساعد الوحدات المتكررة في إظهار مدى سهولة ووضوح تمثيل الجزيئات من خلال الكرات التي تمثل الذرات.

يمتلك المركبان الثنائيان كلوريد الصوديوم (NaCl) وكلوريد السيزيوم (CsCl) بنية مكعبة، لكنهما ينتميان إلى مجموعات فراغية مختلفة. يُعزى هذا الاختلاف إلى التراص المتقارب لأيونات الكلوريد ذات الأحجام المختلفة. فعلى سبيل المثال، يمكن وصف NaCl بأنه أيونات كلوريد متراصة (في شبكة مكعبة مركزية الوجوه) مع أيونات الصوديوم في الفراغات ثمانية الأوجه . بعد تطوير تقنية علم البلورات بالأشعة السينية كأداة لتحديد البنى البلورية، قامت العديد من المختبرات ببناء نماذج تعتمد على الكرات. ومع تطور استخدام الكرات البلاستيكية أو البوليسترينية، أصبح من السهل الآن إنشاء مثل هذه النماذج.

يمكن تمثيل مفهوم الرابطة الكيميائية، بوصفها صلة مباشرة بين الذرات، بربط كرات (ذرات) بقضبان (روابط). وقد لاقى هذا النموذج رواجًا كبيرًا ولا يزال يُستخدم على نطاق واسع حتى اليوم. في البداية، كانت الذرات تُصنع من كرات خشبية كروية الشكل بها ثقوب محفورة خصيصًا للقضبان. وهكذا، يمكن تمثيل الكربون بكرة بها أربعة ثقوب عند الزوايا الرباعية الأوجه cos ⁻¹ (− 1 ⁄ 3 ) ≈ 109.47°.

تكمن إحدى مشكلات الروابط والثقوب الصلبة في عدم إمكانية بناء أنظمة ذات زوايا عشوائية. ويمكن التغلب على هذه المشكلة باستخدام روابط مرنة، كانت في الأصل نوابض حلزونية، ولكنها الآن تُستخدم عادةً في المواد البلاستيكية. كما يسمح ذلك بتقريب الروابط الثنائية والثلاثية بروابط أحادية متعددة.

يمثل النموذج الموضح أعلاه نموذجًا كرويًا وعصويًا للبرولين . الكرات ملونة: الأسود للكربون (C)، والأحمر للأكسجين (O)، والأزرق للنيتروجين ( N)، والأبيض للهيدروجين (H). كل كرة مثقوبة بعدد من الثقوب يساوي تكافؤها التقليدي (C: 4؛ N: 3؛ O: 2؛ H: 1) ، وموجهة نحو رؤوس رباعي الأوجه. الروابط الأحادية ممثلة بقضبان رمادية صلبة نسبيًا. أما الروابط الثنائية والثلاثية فتستخدم رابطتين مرنتين أطول تحد من الدوران وتدعم التكوين الفراغي التقليدي (cis / trans) .

مع ذلك، تتطلب معظم الجزيئات ثقوبًا بزوايا أخرى، ولذا تقوم شركات متخصصة بتصنيع مجموعات ونماذج مصممة خصيصًا. إلى جانب الثقوب رباعية الأوجه، وثلاثية الأوجه ، وثمانية الأوجه، كانت هناك كرات متعددة الأغراض تحتوي على 24 ثقبًا. سمحت هذه النماذج بالدوران حول روابط القضيب الأحادي، وهو ما قد يُعد ميزة (إظهار مرونة الجزيء) وعيبًا (النماذج غير مرنة). كان المقياس التقريبي 5  سم لكل أنغستروم (0.5 متر/نانومتر أو 500,000,000:1)، ولكنه لم يكن ثابتًا لجميع العناصر.

ابتكر أرنولد بيفرز في إدنبرة نماذج مصغرة باستخدام كرات من مادة PMMA وقضبان من الفولاذ المقاوم للصدأ. وباستخدام كرات مثقوبة بشكل فردي بزوايا وأطوال روابط دقيقة في هذه النماذج، أمكن إنشاء هياكل بلورية كبيرة بدقة، ولكن بشكل خفيف وصلب. يوضح الشكل 4 خلية وحدة من الياقوت بهذا الأسلوب.

كان نموذج الحمض النووي لكريك وواتسون ومجموعات بناء البروتين لكيندرو من أوائل النماذج الهيكلية. استندت هذه النماذج إلى مكونات ذرية حيث مُثّلت التكافؤات بقضبان، وكانت الذرات نقاطًا عند التقاطعات. تم إنشاء الروابط عن طريق ربط المكونات بوصلات أنبوبية مزودة ببراغي تثبيت.

في أواخر خمسينيات القرن الماضي، ابتكر أندريه دريدينغ مجموعة أدوات لنمذجة الجزيئات، استغنت عن الموصلات. كانت كل ذرة تُمثَّل بقضبان تكافؤ صلبة وأخرى مجوفة. تُثبَّت القضبان الصلبة في الأنابيب لتكوين رابطة، عادةً مع إمكانية الدوران الحر. وقد استُخدمت هذه الأدوات، ولا تزال، على نطاق واسع في أقسام الكيمياء العضوية، وصُنعت بدقة متناهية لدرجة أنه كان بالإمكان إجراء قياسات المسافات بين الذرات باستخدام المسطرة.

في الآونة الأخيرة، تستخدم نماذج بلاستيكية رخيصة الثمن (مثل أوربت) مبدأً مشابهاً. تتكون هذه النماذج من كرة بلاستيكية صغيرة ذات نتوءات يمكن تركيب أنابيب بلاستيكية عليها. وتتيح مرونة البلاستيك إمكانية صنع أشكال هندسية مختلفة.

تتكون العديد من المواد الصلبة غير العضوية من ذرات محاطة بمجال تنسيقي من الذرات الكهرسلبية (مثل رباعيات الأوجه _PO₄ ، وثمانيات الأوجه TiO₆ ₎ . ويمكن نمذجة هذه الهياكل عن طريق لصق متعددات الأوجه المصنوعة من الورق أو البلاستيك معًا.

يُعدّ نهج نيكلسون مثالًا جيدًا على النماذج المركبة، وقد شاع استخدامه منذ أواخر سبعينيات القرن الماضي لبناء نماذج للجزيئات الحيوية الكبيرة . تتكون هذه النماذج أساسًا من الأحماض الأمينية والأحماض النووية ، مع بقايا مُشكّلة مسبقًا تُمثّل مجموعات من الذرات. تُصبّ العديد من هذه الذرات مباشرةً في القالب، وتُركّب معًا عن طريق إدخال قطع بلاستيكية صغيرة في ثقوب دقيقة. يلتصق البلاستيك جيدًا بالروابط، مما يُصعّب تدويرها، وبالتالي يُمكن ضبط زوايا الالتواء بشكل عشوائي والحفاظ على قيمتها. تُحدّد هيئات العمود الفقري والسلاسل الجانبية عن طريق حساب زوايا الالتواء مسبقًا، ثم تعديل النموذج باستخدام منقلة .

البلاستيك أبيض اللون ويمكن طلاؤه للتمييز بين ذرات الأكسجين والنيتروجين. عادةً ما تكون ذرات الهيدروجين ضمنية ويتم تمثيلها عن طريق قص الأجزاء المتشعبة. قد يستغرق بناء نموذج لبروتين نموذجي يحتوي على حوالي 300 حمض أميني شهرًا. كان من الشائع في المختبرات بناء نموذج لكل بروتين يتم تحديد بنيته. بحلول عام 2005، مع ازدياد عدد هياكل البروتينات التي يتم تحديدها، انخفض عدد النماذج المصنعة نسبيًا.

مع تطور النمذجة الفيزيائية الحاسوبية، أصبح من الممكن الآن إنشاء نماذج كاملة من قطعة واحدة عن طريق إدخال إحداثيات سطح ما إلى الحاسوب. يوضح الشكل 6 نماذج لسم الجمرة الخبيثة ، على اليسار (بمقياس 20 أنغستروم/سم تقريبًا أو 1:5,000,000)، والبروتين الفلوري الأخضر ، على اليمين (بارتفاع 5  سم، بمقياس 4 أنغستروم/سم تقريبًا أو 1:25,000,000) من تصميم شركة 3D Molecular Design. صُنعت النماذج من الجبس أو النشا، باستخدام عملية النماذج الأولية السريعة.

كما أصبح من الممكن مؤخراً إنشاء نماذج جزيئية دقيقة داخل كتل زجاجية باستخدام تقنية تُعرف باسم النقش بالليزر تحت السطحي .

يمكن للحواسيب أيضًا نمذجة الجزيئات رياضيًا. تعمل برامج مثل أفوجادرو على أجهزة الكمبيوتر المكتبية العادية، وتستطيع التنبؤ بأطوال الروابط وزواياها، وقطبية الجزيء وتوزيع الشحنة، وحتى الخصائص الكمومية مثل أطياف الامتصاص والانبعاث. مع ذلك، لا تستطيع هذه البرامج نمذجة الجزيئات مع زيادة عدد الذرات، لأن عدد العمليات الحسابية يتناسب طرديًا مع مربع عدد الذرات؛ فإذا زاد عدد الذرات في الجزيء أربعة أضعاف، ستستغرق العمليات الحسابية 16 ضعفًا. في معظم التطبيقات العملية، مثل تصميم الأدوية أو طي البروتينات، تتطلب حسابات النموذج استخدام الحوسبة الفائقة، أو لا يمكن إجراؤها على الحواسيب التقليدية في وقت معقول. تستطيع الحواسيب الكمومية نمذجة الجزيئات بعدد أقل من العمليات الحسابية، لأن نوع العمليات الحسابية التي تُجرى في كل دورة حاسوب كمومي مناسب تمامًا لنمذجة الجزيئات.

بعض الألوان الأكثر شيوعًا المستخدمة في النماذج الجزيئية هي كما يلي: ^{[ 5 ]}

هيدروجين		أبيض
المعادن القلوية		بنفسجي
المعادن القلوية الترابية		أخضر داكن
البورون ، معظم المعادن الانتقالية		لون القرنفل
الكربون		أسود
نتروجين		أزرق
الأكسجين		أحمر
الفلور		أخضر مصفر
الكلور		أخضر ليموني
البروم		أحمر داكن
اليود		بنفسجي داكن
الغازات النبيلة		سماوي
الفوسفور		البرتقالي
الكبريت		أصفر
التيتانيوم		رمادي
نحاس		مشمش
الزئبق		رمادي فاتح

هذا الجدول عبارة عن تسلسل زمني غير مكتمل للأحداث التي قدمت فيها النماذج الجزيئية الفيزيائية رؤى علمية رئيسية.

• برامج تصميم الجزيئات
• الرسومات الجزيئية
• النمذجة الجزيئية
• مخطط الشريط
• برنامج لنمذجة الميكانيكا الجزيئية
• نموذج ملء الفراغ (كالوت)

• بارلو، و. (1883). "الطبيعة المحتملة للتناظر الداخلي للبلورات" . مجلة نيتشر . 29 (738): 186-188 . Bibcode : 1883Natur..29..186B . doi : 10.1038/029186a0 .
• بارلو، دبليو؛ بوب، دبليو جيه (1906). "تطوير النظرية الذرية التي تربط بين التركيب الكيميائي والبلوري وتؤدي إلى إثبات طبيعة التكافؤ" . مجلة الجمعية الكيميائية 89 : 1675-1744 . doi : 10.1039/ct9068901675 .
• ويتاكر، أ.ج. (2009). "النماذج الجزيئية - تمثيلات ملموسة للمجرد". نشرة بنك بيانات البروتين . 41 : 4-5 .
• تاريخ النماذج الجزيئية. ورقة بحثية قُدّمت في المنتدى الأوروبي المفتوح للعلوم (ESOF)، ستوكهولم، في 25 أغسطس 2004، بقلم دبليو. جيرهارد بول، الجمعية الكيميائية النمساوية. صورة لنماذج فان هوف رباعية الأوجه، والصيغ العضوية للوشميدت (ثنائية الأبعاد فقط).
• ووستر، واشنطن؛ وآخرون  (1945). "قالب كروي لحفر الكرات لنماذج التركيب البلوري" . مجلة الأدوات العلمية . 22 (7): 130. رمز Bibcode : 1945JScI...22..130W . doi : 10.1088/0950-7671/22/7/405 .ملاحظات ووستر الشخصية بما في ذلك تأسيس شركة كريستال ستراكشر المحدودة.

• تاريخ تصوير الجزيئات الحيوية الكبيرة من تأليف إريك مارتز وإريك فرانكور. يحتوي على مزيج من النماذج الفيزيائية والرسومات الجزيئية .