科學家觀察水蚤在水面上滑行時，如果從水蚤整體尺度（釐米尺度）思考，無法解釋它為什麼不服從阿基米德關於浮力的定律。而當把水蚤的腿腳部放到電子顯微鏡下觀察，發現其腿部的結構是微納尺度的，毛刺之間可以滯留大量小氣泡，而且小氣泡又不易破裂，所以水蚤是踏著四個大氣囊在水面上滑行的。
水蚤及腿部的結構
同樣的現象也出現在壁虎的觀察中，壁虎在天花板上爬行，為什麼不因重力跌落呢？
在電子顯微鏡下觀察壁虎的腳部，發現其也呈微納結構，發達的奈米剛毛上具有活性細胞組織，與光滑表面也有親和黏附力，而且更為神奇的是，腳部方向的改變，可以使剛毛尾端的朝向改變，就可把腳從壁面上舉起而向前邁步了。
壁虎腳毛的結構
由此可見，如果在某個尺度下無法解釋所觀察的現象，若從另一尺度再去觀察，或許就能給出解釋。正因為如此，2013 年諾貝爾化學獎頒給了三位美國科學家馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和阿里耶·瓦謝勒（Martin Karplus, 1930— ；Michael Levitt，1947— ；Arieh Warshel，1940— ），以表彰他們為複雜化學系統創立了多尺度模型。
2013 年諾貝爾化學獎得主
諾貝爾化學獎評選委員會在新聞稿中解釋了三位獲獎者的研究成果。他們說，卡普拉斯、萊維特和瓦謝勒研究的開創性在於，他們讓經典物理學與迥然不同的量子物理學在化學研究中“並肩作戰”。以前，化學家必須二選其一。依靠用塑膠棒和杆建立模型的經典物理學方法的優勢在於計算簡單且能為大分子建模，但其無法模擬化學反應。而如果化學家選擇使用量子物理學計算化學反應過程，但巨大的計算量使得其只能應付小分子。為此，在20世紀70年代，這三位科學家設計出這種多尺度模型，讓傳統的化學實驗走上了資訊化的快車道。
多尺度複雜化學系統模型的出現無疑翻開了化學史的“新篇章”。化學反應發生的速度堪比光速。剎那間，電子就從一個原子核跳到另一個原子核，以前，對化學反應的每個步驟進行追蹤幾乎是不可能完成的任務。而在由這三位科學家研發出的多尺度模型的輔助下，化學家們讓計算機做“做幫手”來揭示化學過程。例如，在模擬藥物如何同身體內的目標蛋白耦合時，計算機會對目標蛋白中與藥物相互作用的原子執行量子理論計算；而使用要求不那麼高的經典物理學來模擬其餘的大蛋白，從而精確掌握藥物發生作用的全過程。
研究成果示意圖
諾貝爾化學獎評選委員會在當天發表的宣告中說，現在，對化學家來說，計算機是同試管一樣重要的工具，計算機對真實生命的模擬已為化學領域大部分研究成果的取得立下了“汗馬功勞”。透過模擬，化學家能更快獲得比傳統實驗更精準的預測結果。
他們透過計算化學貫通了量子尺度 - 分子尺度的界限，利用量子力學，在合理近似的前提下對分子結構、性質、反應活性及機理進行模型計算，預測源於電子相互作用的吸附、化學反應中成鍵與斷鍵現象，如研究光合作用等。
分子尺度研究雖可知與光合作用有關的蛋白質三維結構，清楚地知道其原子、離子相對位置，卻不知其在反應中的作用。陽光照射，使分子處於激發態，但在如何理解其機制上還有不足。量子物理學基於電子的波粒二重性，對分子內部每個電子和每個原子核的海量計算，為經典化學與量子化學兩尺度間的貫通打開了一扇門，卡普拉斯開發的計算程式用量子物理原則模擬了反應過程。萊維特和瓦謝勒則使量子化學與經典物理結合，根據有些分子中的部分電子可在幾個原子核之間自由運動原理，建立了“視網膜結構”模型，簡化了關鍵核心原子的計算過程，提高了可操作性。化學家正在研究飛秒（10-15秒）尺度下的化學反應歷程，因為決定反應物是依主反應方向進行，還是依副反應方向進行，是反應物料在越過能壘的瞬間發生的。
如果最終能控制化學反應，使其反應完全是依正反應產物轉化，而沒有副反應產生，就必然要研究飛秒尺度下的反應行為。由於副反應產物多半是我們不需要的，甚至是汙染物，這樣就可以大大提高資源產出率，減少汙染，這就是合成化學家的夢想，屬於跨時間尺度行為的研究。
綜合自《科技創新啟示錄：創新與發明大師軼事》、百度百科
圖書作者：金湧
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