نموذج يملأ الفراغ

في الكيمياء ، يُعرف نموذج ملء الفراغ ، أو نموذج كالوت ، بأنه نوع من النماذج الجزيئية ثلاثية الأبعاد ، حيث تُمثَّل الذرات بكرات تتناسب أنصاف أقطارها مع أنصاف أقطار الذرات ، وتتناسب المسافات بين مراكزها مع المسافات بين أنوية الذرات ، وذلك على نفس المقياس. وعادةً ما تُمثَّل ذرات العناصر الكيميائية المختلفة بكرات ذات ألوان مختلفة.

تُعرف نماذج كالوت المملوءة للفراغ أيضًا بنماذج CPK، نسبةً إلى الكيميائيين روبرت كوري ، ولينوس باولينغ ، ووالتر كولتون ، الذين طوروا مفهوم النمذجة على مرّ الزمن إلى شكل عملي. ^{[ 1 ]} وتتميز هذه النماذج عن غيرها من التمثيلات ثلاثية الأبعاد، مثل نماذج الكرة والعصا والهيكل العظمي ، باستخدامها كرات مملوءة للفراغ "كاملة الحجم" للذرات. تتميز هذه النماذج بإمكانية لمسها وتدويرها يدويًا. وهي مفيدة لتصوّر الشكل الفعال والأبعاد النسبية للجزيء، (وبفضل إمكانية التدوير) أشكال سطح المتماثلات المختلفة . من ناحية أخرى، تُخفي هذه النماذج الروابط الكيميائية بين الذرات، مما يُصعّب رؤية بنية الجزيء التي تُحجبها الذرات الأقرب إلى المشاهد في وضعية معينة. لهذا السبب، تكون هذه النماذج أكثر فائدة إذا أمكن استخدامها بشكل ديناميكي، خاصة عند استخدامها مع الجزيئات المعقدة (على سبيل المثال، انظر إلى الفهم الأكبر لشكل الجزيئات الذي يتم الحصول عليه عند النقر على نموذج THC لتدويره).

تنشأ نماذج ملء الفراغ من الرغبة في تمثيل الجزيئات بطرق تعكس الأسطح الإلكترونية التي تمثلها، والتي تحدد كيفية تفاعلها مع بعضها البعض (أو مع الأسطح، أو الجزيئات الكبيرة مثل الإنزيمات، وما إلى ذلك). تُعد البيانات البلورية نقطة انطلاق لفهم البنية الجزيئية الثابتة، وتحتوي هذه البيانات على المعلومات المطلوبة بدقة لإنشاء تمثيلات ملء الفراغ (انظر، على سبيل المثال، نماذج البلورات هذه ). مع ذلك، في أغلب الأحيان، يعرض علماء البلورات مواقع الذرات المستمدة من علم البلورات عبر " أشكال بيضاوية حرارية " تُضبط معايير قطعها لتسهيل عرض مواقع الذرات (مع التباينات )، وللسماح بتمثيل الروابط التساهمية أو التفاعلات الأخرى بين الذرات كخطوط. باختصار، ولأسباب تتعلق بالفائدة، ظهرت البيانات البلورية تاريخيًا في عروض أقرب إلى نماذج الكرة والعصا. وبالتالي، في حين أن البيانات البلورية تحتوي على المعلومات اللازمة لإنشاء نماذج تملأ الفراغ، فقد بقي الأمر للأفراد المهتمين بنمذجة شكل ثابت فعال لجزيء، والفراغ الذي يشغله، والطرق التي قد يقدم بها سطحًا لجزيء آخر، لتطوير الشكلية الموضحة أعلاه.

في عام ١٩٥٢، وصف روبرت كوري ولينوس باولينغ نماذج دقيقة لجزيئات صنعاها في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك) . ^{[ ١ ]} في نماذجهما، تصورا أن سطح الجزيء يتحدد بنصف قطر فان دير فالس لكل ذرة، وصنعا الذرات على شكل كرات خشبية صلبة بقطر يتناسب مع نصف قطر فان دير فالس لكل ذرة، بمقياس ١  بوصة = ١ أنغستروم . وللسماح بالروابط بين الذرات، قُطع جزء من كل كرة لإنشاء زوج من الأسطح المستوية المتطابقة، مع تحديد أبعاد القطع بحيث تكون المسافة بين مركزي الكرتين متناسبة مع أطوال أنواع الروابط الكيميائية القياسية. ^{[ ١ ]} صُمم موصل - جلبة معدنية تُربط في كل كرة عند مركز كل سطح مستوٍ. ثم تُثبت الكرتان معًا بإحكام بواسطة قضيب معدني يُدخل في زوج الجلبات المتقابلة (مع التثبيت بواسطة براغي). كما احتوت النماذج على ميزات خاصة للسماح بتمثيل الروابط الهيدروجينية . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

في عام 1965، صمّم والتر ل. كولتون نظامًا مبسطًا وحصل على براءة اختراع له، يتألف من ذرات بلاستيكية مصبوبة بألوان مختلفة ، موصولة بوصلات كبس مصممة خصيصًا. حقق هذا النظام المبسط نفس أهداف نظام كوري-باولينغ تقريبًا، ^{[ 4 ] [ 5 ]} وسمح بتطوير النماذج كطريقة شائعة للعمل مع الجزيئات في بيئات التدريب والبحث. تُعرف هذه النماذج، المرمزة بالألوان والمحددة بطول الرابطة، والتي تملأ الفراغات من نوع فان دير فالس، الآن باسم نماذج CPK، نسبةً إلى هؤلاء المطورين الثلاثة لهذا المفهوم.

في الجهود البحثية الحديثة، عاد الاهتمام إلى استخدام النماذج البلورية الغنية بالبيانات، بالاقتران مع الأساليب الحسابية التقليدية والحديثة، لتوفير نماذج ثلاثية الأبعاد للجزيئات، البسيطة منها والمعقدة، حيث يمكن إضافة معلومات إضافية، مثل أجزاء سطح الجزيء التي يسهل وصول المذيب إليها ، أو كيفية إضافة الخصائص الكهروستاتيكية للتمثيل ثلاثي الأبعاد - والتي تُترك في حالة CPK للخيال بشكل شبه كامل - إلى النماذج المرئية المُنشأة. تُظهر الصورتان الختاميتان مثالين على هذا النوع الأخير من الحساب والتمثيل، وفائدته.

• نموذج الكرة والعصا – تمثيل روابط الجزيء وبنيته ثلاثية الأبعاد 
• سطح فان دير فالس – نموذج التفاعل الجزيئي 
• تلوين CPK – اصطلاح لوني لتمييز الذرات 
• الرسومات الجزيئية – رسومات الحاسوب 
• برنامج لنمذجة الجزيئات
• برامج تصميم الجزيئات
• الصيغة البنائية – تمثيل بياني للبنية الجزيئية 

• المزيد حول النماذج الجزيئية وبعض الأمثلة من الكيمياء وعلم الأحياء (المقال باللغة الألمانية)