آیا تا به حال به فکر این افتادهاید که شیمی، با پیشرفت فناوری، چگونه دنیایی از فرصتهای شغلی را پدید آورده است؟
یکی از رشتههای جذاب و پرفراز و نشیب که با قابلیت های ویژه در دنیای شغلی مطرح شده است، شیمی محاسباتی است. این گرایش همسو با توسعه و پیشرفت تکنولوژی، به پاسخگویی سبز برای نیازهای علمی و حتی صنعتی تبدیل شده است. استفاده از روش ها و ابزار های کوانتومی، محاسبات مولکولی و همچنین تکنیک های نوظهور مبتنی بر مدلسازی و شبکه های عصبی، سرعت و دقت بالایی در انواع تحقیقات علمی و همچنین صنعتی مانند داروسازی، نفت و گاز، کاتالیزورها، پلیمر و غیره فراهم کرده است.
انتظار میرود تا سال ۲۰۳۰، بازار کار شیمی محاسباتی بهطور قابل توجهی گسترش یابد و فرصتهای شغلی بیشتری را در این حوزه به ارمغان بیاورد. در این مقاله، با هم به بررسی شیمی محاسباتی با چشم انداز شغلی، چالش ها و فرصت ها و مهارت های لازم برای ورود به این حوزه و استارتاپ های موفق، خواهیم پرداخت.
روند رشد و آینده شیمی محاسباتی (computational chemistry)
پیشرفتها در نظریه و تکنیکهای شیمی محاسباتی در طول سالها، شیمی را از یک علم کاملاً تجربی به یک علم نظری «دقیقتر» تبدیل کرده است. از بسیاری جهات، شیمی محاسباتی میتواند، توضیحات نظری دقیقی برای نتایج و پدیدهها ارائه کند.
تاریخچه ظهور و بقا
شیمی محاسباتی بر اساس نظریه ها و اکتشافات مکانیک کوانتومی است. در سال 1927، اولین محاسبات نظری در شیمی، محاسبات والتر هیتلر و فریتز لندن، با استفاده از نظریه پیوند ظرفیت انجام شد. در سال های 1930 تا 1960 مطالعات برای گسترش استفاده از محاسبات، از سطح اتمی به مولکولی و بالاتر ادامه داشت. با توسعه و پیشرفت سیستم های کامپیوتری، نرم افزار های محاسباتی اولیه مانند ATMOL و Gaussianبرای افزایش سرعت و دقت، ارائه شدند که محاسبات اوربیتال مولکولی را انجام می دادند. در همان زمان، روشهای مکانیک مولکولی، مانند میدان نیروی MM2، عمدتاً توسط نورمن آلینگر توسعه یافت. و در طی پیشرفت های قابل توجه و آینده روشن این حوزه، اولین مجله شیمی محاسباتی در سال 1980 منتشر شد. شیمی محاسباتی در چندین جایزه نوبل، به ویژه در سالهای 1998 و 2013 حضور داشته است. مارتین کارپلاس، مایکل لویت و آریه وارشل جایزه نوبل شیمی 2013 را برای “توسعه مدل های چند مقیاسی برای سیستم های شیمیایی پیچیده” دریافت کردند که به خوبی اهمیت ویژه این گرایش در علم را نمایان می کند.
با توسعه روش های یادگیری ماشین، ترکیب یادگیری ماشین و شیمی محاسباتی، به یک حوزه تحقیقاتی محبوب در سالهای اخیر تبدیل شده است. در شرایط ایده آل، یادگیری ماشین می تواند خواص شیمیایی کوانتومی مورد نظر را بدون از دست دادن دقت پیش بینی کند. از آن جایی که نیازی به حل معادله شرودینگر برای هر سیستم اتمی در فرآیند نیست، سرعت محاسبات می تواند با روش های مکانیک مولکولی قابل مقایسه باشد. انواع الگوریتمهای یادگیری ماشین در حال حاضر برای شیمی کوانتومی مانند شبکههای عصبی (NN)، فرآیندهای گاوسی (GP)، ماشینهای بردار پشتیبان (SVM) و بسیاری دیگر به کار گرفته شدهاند. معرفی الگوریتمهای یادگیری ماشین برای سرعت بخشیدن به محاسبات در بسیاری از زمینههای تحقیقاتی که به مقادیر زیادی محاسبات شیمی کوانتومی نیاز دارند، مهم است. یادگیری ماشین قبلاً در دینامیک مولکولی، متا دینامیک، شبیهسازی MC، محاسبه سطوح انرژی ارتعاشی و غیره استفاده شده است. یادگیری ماشینی به عنوان نقطه پیشرفت بعدی در توسعه شیمی محاسباتی در حال ظهور است.
آینده و چشم انداز شغلی
شیمی محاسباتی به عنوان یک ابزار قوی در صنایع شیمی، داروسازی، مواد و انرژی، آینده روشنی را در پیش دارد.
با توجه به رشد تولید دادهها و نیاز به تحلیل و فهم بهتر آنها، تقاضای بیشتری برای شیمیدانان محاسباتی وجود خواهد داشت. شرکتها و سازمانهای بزرگ در صنایع مرتبط با شیمی محاسباتی به دنبال متخصصین شیمی محاسباتی هستند. همچنین، استارتاپهای نوظهور و شرکتهای فناوری معتبر نیز به دنبال استخدام افراد ماهر در حوزه شیمی محاسباتی میباشند. برای ورود به حوزه شیمی محاسباتی، مهارتهای فنی و تخصصی لازم است. آشنایی با روشهای محاسباتی مولکولی، مدلسازی ساختارها، تفسیر دادههای محاسباتی و استفاده از نرمافزارهای محاسباتی متناسب با این حوزه، از جمله مهارتهای لازم برای ورود به حوزه شیمی محاسباتی هستند. همچنین، دانش عمیق در زمینه شیمی و فهم علمی در ارتباط با مولکولها و خواص شیمیایی نیز اساسی است. استارتاپهای نوظهور در حوزه شیمی محاسباتی نیز رشد چشمگیری را تجربه کردهاند و فرصتهای شغلی جدیدی را برای علاقهمندان به این حوزه فراهم میکنند. این استارتاپها در حال توسعه و بهبود روشها و ابزارهای شیمی محاسباتی برای مسائل واقعی شیمیایی هستند و به دنبال جذب استعدادهای جوان و ماهر در این حوزه میباشند.
به طور خلاصه، شیمی محاسباتی با رشد روزافزون خود، آینده ای روشن و فرصتهای شغلی بسیاری را در اختیار علاقهمندان قرار میدهد. با توجه به اهمیت و کاربردهای گستردهای این حوزه در صنایع مختلف مانند شیمی، داروسازی، مواد و انرژی، شیمی محاسباتی به یکی از حوزههای پرطرفدار و پیشرو در علم شیمی تبدیل شده است.
روش های شیمی محاسباتی
از نگاه شیمی فیزیک، روش های شیمی محاسباتی به دو دسته کلی کوانتوم مکانیکی و تجربی تقسیم می شود.
روشهای مکانیک کوانتومی: این روشها بر اساس مبانی فیزیک کوانتومی عمل میکنند و برای مدلسازی دقیق ساختارها و خواص شیمیایی مولکولها استفاده میشوند. محاسبات تئوری کوانتومی میتواند اطلاعاتی در مورد ساختارهای الکترونی، انرژیها، ترمودینامیک و خواص طیفی مولکولها ارائه دهد. برخی از روشهای تئوری کوانتومی عبارتند از: روش هارتری فاک، روش تابع چگالی (DFT)، روش میدان مولکولی (Molecular Mechanics) و روش مدار مولکولی (Molecular Orbital Theory).
روش های تجربی: روشهای شیمی کوانتومی نیمه تجربی مبتنی بر فرمالیسم روش هارتری-فوک هستند، اما تقریبهای زیادی انجام میدهند و برخی پارامترها را از دادههای تجربی بهدست میآورند. این روش ها در شیمی محاسباتی بسیار حائز اهمیت اند، زیرا سرعت بسیار بالاتر و دقتی در حدود روش های کوانتومی دارند.
از نگاه شیمی تجزیه، این روش ها به دسته های کوانتومی، مدلسازی پیوسته و ساختاری، شبیه سازی مولکولی، روش های تفسیر داده ها (کمومتریکس) و شبکه های عصبی تقسیم می شوند.
ابزارها و کاربردهای شیمی محاسباتی در صنعت
شیمی محاسباتی به عنوان یک ابزار کاربردی در صنعت شیمی و مواد، در بسیاری از زمینهها و بخشهای مختلف استفاده میشود. در زیر، به برخی از ابزارها و کاربردهای شیمی محاسباتی در صنعت اشاره میکنیم:
طراحی دارو (Drug Design):
- شیمی محاسباتی به عنوان ابزاری قدرتمند در طراحی دارو و کشف مولکولهای جدید به کار میرود. از روشها و تکنیکهای مکانیک کوانتومی و تابع چگالی استفاده میشود تا ساختار سه بعدی پروتئینها و تعاملات بین پروتئین و لیگاندها را مدلسازی کند. این مدلسازی به کشف داروهای جدید، طراحی مولکولهای مهارکننده پروتئینها و بهبود خواص دارویی از جمله آنتیویروسها، ضد سرطانها و داروهای قلبی-عروقی کمک میکند. در مقاله … به طور مفصل درباره طراحی دارو و فرصت های شغلی آن صحبت شده است.
شیمی مواد نوین:
- این روش در طراحی و بهینهسازی خواص مواد و مواد نوین مورد استفاده قرار می گیرد. با استفاده از شبیهسازیهای محاسباتی، میتوان خواص مکانیکی، الکترونیکی، حرارتی و مغناطیسی مواد را پیشبینی کرده و مولکولهای جدید با خواص مطلوب ایجاد کرد. این اطلاعات قابل استفاده در طراحی و سنتز مواد از جمله پلاستیکها، مواد نانو، کاتالیزورها، باتریها و مواد سوختی هستند.
پیشبینی خواص فیزیکی و شیمیایی:
- خواص فیزیکی و شیمیایی مواد را با این روش ها می توان پیشبینی کرد. میتوان خواص مولکولی مانند انرژیهای الکترونی، انرژیهای یونیزاسیون، ثابتهای تعادل شیمیایی و دمای انتقال فاز را محاسبه کرد. این اطلاعات میتواند در طراحی و بهبود فرآیندهای شیمیایی مانند تولید محصولات شیمیایی و کنترل کیفیت استفاده شود.
تحقیقات کاتالیزورها:
- در تحقیقات کاتالیزورها، روش های محاسباتی نقش مهمی ایفا میکنند. با استفاده از شبیهسازیهای محاسباتی، میتوان ساختار و ویژگیهای کاتالیزورها را مدلسازی کرده و مکانیسمهای واکنشی را بررسی کرد. این اطلاعات میتواند در بهینهسازی فرآیندهای کاتالیز و کاهش هزینههای تولید استفاده شود.
شبیهسازی فرآیندهای شیمیایی:
شیمی محاسباتی میتواند در شبیهسازی و پیشبینی فرآیندهای شیمیایی استفاده شود. مدلسازی و شبیهسازی واکنشها و دینامیک مولکولی میتواند به تحلیل فرآیندهای شیمیایی و بهینهسازی شرایط آنها کمک کند. این اطلاعات میتواند در بهبود راندمان و کیفیت محصولات شیمیایی، کاهش ضایعات و بهبود شرایط ایمنی استفاده شود.
-
تحقیقات در حوزه انرژی:
شیمی محاسباتی میتواند در تحقیقات مرتبط با انرژی و مواد سوختی استفاده شود. با استفاده از شبیهسازیهای محاسباتی، میتوان خواص سوختهای جدید را پیشبینی کرده و بهینهسازی طراحی باتریها، سلولهای خورشیدی و مواد سوختی انجام داد.
به طور کلی روش های محاسباتی به دلیل کاهش زمان و افزایش سرعت دستیابی به نتایج و از همه مهم تر، نزدیکی نتایج به حالت تجربی، مورد توجه قرار گرفته اند. امروزه به دلیل اهمیت روش های شیمی سبز، استفاده هرچه کمتر از مواد شیمیایی و سمی، کاهش مصرف انرژی و حفظ سلامت جامعه، در الویت انجام پروژه های تحقیقاتی و صنعتی است و روش های محاسباتی به خوبی می توانند این شرایط را فراهم کنند.
چالش ها و فرصت ها
این زمینه تحقیقاتی و صنعتی با توانایی ها و اهمیت بسیار، مزایا و معایبی را با خود به همراه دارد که در ادامه به طور مختصر به آن می پردازیم:
چالشها:
- پیچیدگی محاسباتی: مدلسازی و شبیهسازی سیستمهای شیمیایی پیچیده نیازمند قدرت محاسباتی بالا و الگوریتمهای پیچیده است. محاسبات مکانیک کوانتومی و دنسیتی تابعی ممکن است زمان و منابع محاسباتی زیادی را مصرف کنند.
- دسترسی به دادههای آزمایشگاهی: برای آموزش و اعتبارسنجی مدلهای شیمی محاسباتی، نیاز به دادههای آزمایشگاهی دقیق و کامل است. اما در برخی موارد، این دادهها ممکن است محدود یا در دسترس نباشند.
- انتقال دانش به محصولات صنعتی: یکی از چالشهای مهم در شیمی محاسباتی، انتقال دانش و نتایج حاصل از محاسبات به محصولات و فرایندهای صنعتی است. برای این کار، نیاز به ترجمه و تفسیر دقیق نتایج محاسباتی و یافتن راهکارهای عملی و قابل اجرا در صنعت است.
- توسعه روشهای نوآورانه: به دلیل پیچیدگی و چالشهای محاسباتی، توسعه روشهای نوآورانه و بهبود الگوریتمهای محاسباتی در شیمی محاسباتی ضروری است ولی نیاز به زمان و دقت بالایی دارد. این شامل توسعه روشهای بهینهسازی، الگوریتمهای سریع تر و دقیقتر، و ترکیب روشهای مختلف محاسباتی است.
فرصتها:
- تسریع فرایندهای تحقیق و توسعه: استفاده از شیمی محاسباتی میتواند فرایندهای تحقیق و توسعه در صنایع مختلف را تسریع کند. مدلسازی و شبیهسازی مولکولها و مواد، امکان ارزیابی سریع و پیشبینی خواص و ویژگیهای مختلف را فراهم میکند.
- کاهش هزینه و زمان: استفاده از شیمی محاسباتی میتواند هزینه و زمان مورد نیاز برای طراحی و بررسی مولکولها و فرایندهای شیمیایی را کاهش دهد.
- طراحی مولکولهای جدید: شیمی محاسباتی امکان طراحی و شبیهسازی مولکولهای جدید را فراهم میکند. این فرصت به محققان و صنایع مختلف امکان میدهد تا به صورت سریع و کارآمد مولکولهایی را برای کاربردهای مختلف مانند داروسازی، مواد شیمیایی پیشرفته و مواد الکترونیکی طراحی کنند.
- همکاری بین رشتهها: شیمی محاسباتی رشتهای است که از ترکیب شیمی، فیزیک و علوم کامپیوتر بهره میبرد. این فرصت به محققان و دانشمندان امکان همکاری بین رشتههای مختلف را میدهد و میتواند منجر به پیشرفتهای بزرگی در حوزههای مرتبط با شیمی محاسباتی شود.
- استفاده از هوش مصنوعی و یادگیری ماشین: در سالهای اخیر، استفاده از روشهای هوش مصنوعی و یادگیری ماشین در شیمی محاسباتی در حال گسترش است. این فرصت به محققان امکان میدهد تا از قدرت الگوریتمهای هوش مصنوعی برای تحلیل دادههای شیمیایی، پیشبینی ویژگیها و طراحی مولکولها استفاده کنند.
- توسعه نرمافزارهای تخصصی: شیمی محاسباتی نیازمند توسعه نرمافزارهای تخصصی است که قابلیتهایی مانند مدلسازی مولکولی، شبیهسازی فرایندهای شیمیایی و پیشبینی خواص مواد را داشته باشند. توسعه این نرمافزارها به عنوان یک فرصت شغلی مهم در شیمی محاسباتی مطرح است.
نیازمندیها و مهارتهای لازم
زمینه شیمی محاسباتی با چشم انداز شغلی، نیازمندیها و مهارتهای خاصی را از افراد که در این حوزه فعالیت میکنند، میطلبد. در زیر، به برخی از این نیازمندیها و مهارتها اشاره می شود:
- تخصص در شیمی
- آشنایی با ریاضی و آمار
- آشنایی با روش های محاسباتی
- برنامه نویسی و مهارت های نرم افزاری
- توانایی تحلیل و تفسیر داده ها
- توانایی مدیریت و کار تیمی
- خلاقیت و نوآوری
- دقت بسیار بالا
به غیر از مواردی که ذکر شد، یکی از شاخصه های بسیار مهم در رسیدن به موفقیت چه در زمینه صنعتی و چه در زمینه علمی، استقامت است. فعالیت در حوزه شیمی محاسباتی نیاز به صبر و استمرار بسیار دارد که همین عامل باعث شده تا افراد کمی بتوانند به نتایج مطلوب دست یابند.
فرصت های شغلی
فرصت های شغلی بسیاری را می توان با توجه به گستردگی کارکرد شیمی محاسباتی در انواع صنایع و علوم، می توان نام برد. نکته قابل توجه در اینجا، عدم شناخت کافی محققین و صنعتگران از مزایا و فعالیت های این حوزه است. این مورد هم می تواند به نوعی فرصت های بسیاری را برای افراد متخصص این حوزه ایجاد کند که در حقیقت اقیانوسی برای ایجاد شرکت ها و استارتاپ ها فراهم کند؛ ولی از طرفی پذیرفته شدن آن در جوامع علمی و صنعتی را دچار چالش می کند. در اینجا به برخی از مشاغل مرتبط اشاره می کنیم:
- متخصص مدلسازی مولکولی
- متخصص شبیه سازی مولکولی
- مهندس شیمی محاسباتی
- متخصص توسعه نرم افزار
- مشاور علمی
- استاد دانشگاه
- متخصص آنالیز داده های شیمیایی
- مدیر پروژه شیمی محاسباتی
شرکت های موفق جهان در شیمی محاسباتی
شرکت های بسیاری در زمینه شیمی محاسباتی در جهان درحال فعالیت هستند، که با توجه به پیشرفت های روزافزون در این زمینه، در سال های اخیر تعداد آن ها بسیار افزایش یافته ست. در این بخش به برخی از آن ها اشاره می کنیم.
- Muna Therapeutics یک شرکت زیست دارویی خصوصی است که در سال 2020 تاسیس شده و در کپنهاگ، دانمارک و لوون، بلژیک مستقر است. Muna درمان هایی را از طریق شیمی محاسباتی کشف و توسعه می دهد که بیماری های تخریب کننده عصبی از جمله آلزایمر، دمانس فرونتوتمپورال و پارکینسون، اختلالات زبانی، حافظه را تحت تاثیر قرار می دهد یا متوقف می کند.
- Rigetti Computing توسط چاد ریگتی در سال 2013 تأسیس شد و دفاتری در فرمونت و برکلی، کالیفرنیا دارد. این شرکت در حال ساخت یک پلتفرم محاسبات کوانتومی ابری برای هوش مصنوعی و شیمی محاسباتی است. Rigetti اخیراً آزمایش بتا خصوصی Forest را باز کرده است، API آن برای محاسبات ابری کوانتومی ساخته شده است.
- 1910 Genetics یک شرکت بیوتکنولوژی است که هوش مصنوعی (AI)، محاسبات و اتوماسیون بیولوژیکی را برای بهبود توسعه دارو ادغام می کند. ما دو موتور کشف دارو داریم – ELVIS™ و ROSALYND™ – که طراحی مولکول های کوچک و پروتئین درمانی را امکان پذیر می کند، یک روش بی بدیل با قابلیت در فضای کشف داروی هوش مصنوعی. فناوری یکپارچه و ناشناخته منطقه درمانی ما تمام طول مدت کشف اولیه دارو را – از کشف ترکیبات جدید گرفته تا تبدیل پیشرو به کاندید و بهینهسازی کاندید- شتاب میدهد.
- پلتفرم ChemAlive برای دسترسی ارزانتر و سریعتر به دادههای شیمیایی محاسبهشده بدون نیاز به تخصص، سختافزار یا مانع نرمافزاری از طریق یک مدل SaaS قابل اجرا توسط هر شیمیدان آنلاین طراحی شده است. سیستم ما یادگیری ماشینی و دادههای بزرگ را به صنایع شیمیایی و دارویی میآورد. برای طراحی، پیشبینی و درک فرآیندهای شیمیایی به معیارهای دقیق واکنش نیاز دارید. این سرعت، بازارهای جدیدی را باز میکند که در آن دادههای دقیق تعاملی میتواند به عنوان ابزار فروش، بازاریابی و تحقیق و توسعه استفاده شود.
- Ten63 Therapeutics بهبود سلامت انسان با توسعه درمانهای قوی در برابر اهداف معتبر پزشکی و در عین حال غیرقابل درمان. ترکیب شیمی محاسباتی، مبتنی بر ML و الگوریتمهای جستجوی فوق خطی با تضمین دقت با معادلات ریاضی برای یافتن داروهای بهینهسازی شده در زمانی که هیچ کس دیگری نمیتواند.
کلام آخر
شیمی محاسباتی تبدیل علوم تجربی به صورت نظری است که مزایای بسیاری از جمله سرعت و دقت و کاهش هزینه های تحقیقاتی و صنعتی را به همراه دارد. ما در این مقاله به بررسی شیوه ظهور و رشد شیمی محاسباتی و آینده آن، کاربردها و مزایا و معایب آن پرداختیم. همچنین فرصت های شغلی و شرکت های موفق جهان را معرفی و مهارت های لازم برای ورود به این حوزه را شرح دادیم. بیان دوباره این نکته بسیار حائز اهمیت است که برای دستیابی به موفقیت در همه زمینه ها به خصوص در حوزه شیمی محاسباتی، نیازمند صبر و استمرار بسیار است، زیرا علاوه بر دانش کافی علمی باید توانمندی بالایی در زمینه کامپیوتر و همچنین تحلیل داده داشته باشید. یکی از پیشنهادات برای مسیر شغلی با رویکرد بلند مدت در آینده، ایجاد کارگروه ها و تیم های علمی در شیمی محاسباتی است که جای خالی آن در کشور عزیزمان، بسیار قابل لمس است.
آینده متعلق به کسانی است که به رویاهای خود را باور دارند.
پرسش های متداول
- شیمی محاسباتی چیست؟
شیمی محاسباتی استفاده از روشها و الگوریتمهای محاسباتی برای بررسی و پیشبینی خواص شیمیایی و رفتار مولکولها و سیستمهای شیمیایی است. این روشها از تئوریها و مدلهای ریاضی شیمی برای شبیهسازی و تحلیل ساختار و ویژگیهای مولکولی استفاده میکنند.
- کاربردهای شیمی محاسباتی چیست؟
شیمی محاسباتی در بسیاری از زمینههای شیمی، از جمله طراحی داروها، پیشبینی خواص فیزیکی-شیمیایی مواد، مدلسازی رفتار سیستمهای شیمیایی، بهینهسازی فرآیندها، تحلیل ساختار مولکولی و تعاملات مولکولی، مطالعه روند واکنشها و بسیاری دیگر استفاده میشود.
- چه مهارتهایی برای کار در زمینه شیمی محاسباتی لازم است؟
برای کار در زمینه شیمی محاسباتی، مهارتهای زیر ضروری است:
– دانش قوی در زمینه شیمی و تئوریهای شیمی
– تسلط بر روشها و الگوریتمهای محاسباتی
– تجربه در استفاده از نرمافزارهای شیمی محاسباتی
– توانایی تحلیل و تفسیر نتایج محاسباتی
– مهارتهای برنامهنویسی و توسعه نرمافزار
- آیا شیمی محاسباتی فرصتهای شغلی خوبی دارد؟
بله، شیمی محاسباتی یک حوزه رو به رشد است و فرصتهای شغلی خوبی را ارائه میدهد. با پیشرفت تکنولوژی و نیازهای صنایع مختلف به طراحی دقیق مواد و بهینهسازی فرآیندها، نیروهای ماهر در زمینه شیمی محاسباتی بسیار مورد تقاضا قرار میگیرند.
- کجا میتوانم در مورد فرصتهای شغلی در زمینه شیمی محاسباتی اطلاعات بیشتری کسب کنم؟
شما میتوانید با جستجوی اینترنتی و مراجعه به سایتهای استخدام و صفحات شغلی، اطلاعات بیشتری درباره فرصتهای شغلی در زمینه شیمی محاسباتی کسب کنید. همچنین، میتوانید با مشاوران شغلی، شیمیست های محاسباتی حرفهای و اساتید دانشگاهها در این زمینه صحبت کنید تا اطلاعات و راهنماییهای لازم را دریافت کنید.