Η Υπολογιστική Χημεία χρησιμοποιεί μαθηματικά και υπολογιστές για την επίλυση χημικών προβλημάτων. Χρησιμοποιώντας λογισμικό υπολογιστή, οι χημικοί μπορούν να προσομοιώσουν πειραματικά αποτελέσματα και να βρουν ιδιότητες ουσιών. Το πεδίο της υπολογιστικής χημείας βοηθά στην εξερεύνηση πραγμάτων που διαφορετικά θα ήταν δύσκολο ή δαπανηρό να βρεθούν λόγω της μικροσκοπικής φύσης των μορίων, των ατόμων και των νανοσωματιδίων. Μεγάλο μέρος του πεδίου βασίζεται στην εξίσωση Schrodinger, η οποία μοντελοποιεί άτομα και μόρια χρησιμοποιώντας μαθηματικά. Η εξαρχής, η ημι-εμπειρική και η μοριακή μηχανική είναι μέθοδοι υπολογιστικής χημείας που χρησιμοποιούνται συχνά για την ανάλυση μοριακών δομών.
Η διαδικασία της υπολογιστικής χημείας ξεκινά εξετάζοντας μια θεωρία, όπως η Θεωρία της Ηλεκτρονικής Δομής. Αυτό βοηθά στον προσδιορισμό της κίνησης των ηλεκτρονίων μέσα σε ένα μόριο. Σε αυτό το σημείο, χρησιμοποιώντας μαθηματικές εξισώσεις, μπορεί να προσδιοριστεί ένα σύνολο βάσεων με βάση τους υπολογισμούς. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν να εισαχθούν στο λογισμικό υπολογιστή για να περιγράψουν πράγματα όπως η κυματική συνάρτηση, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μοντέλων άλλων φυσικών χαρακτηριστικών του μορίου. Οι χημικοί μπορούν να δουν ένα μοντέλο των τροχιακών του μορίου, να αρχίσουν να προβλέπουν πειραματικές δομές και να εξετάσουν την ενέργεια του μορίου.
Η χρήση ab initio επιτρέπει στους χημικούς να εξετάσουν τις φυσικές ιδιότητες μιας ουσίας και να χρησιμοποιήσουν την εξίσωση Schrodinger για να ανακαλύψουν τα φυσικά χαρακτηριστικά των μορίων. Αυτό περιλαμβάνει πράγματα όπως η γεωμετρία των μορίων, η διπολική ροπή και η ενέργεια μιας αντίδρασης. Οι συχνότητες δόνησης, ο ρυθμός αντίδρασης και η ελεύθερη ενέργεια μπορούν επίσης να βρεθούν χρησιμοποιώντας ab initio. Δεδομένου ότι αυτά τα φυσικά χαρακτηριστικά είναι εξαιρετικά δύσκολο να επιλυθούν, είναι απαραίτητο για τους υπολογιστικούς χημικούς να τα απλοποιήσουν αρκετά ώστε τα φυσικά χαρακτηριστικά να μπορούν να βρεθούν και να εξακολουθήσουν να είναι ακριβή.
Η μοριακή μηχανική είναι μια μέθοδος υπολογιστικής χημείας που χρησιμοποιείται σε πειράματα και εφαρμογές βιοχημείας. Αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μεγαλύτερες δομές όπως τα ένζυμα και βασίζεται στην παραδοσιακή φυσική, αλλά δεν είναι σε θέση να υπολογίσει τις ηλεκτρονικές ιδιότητες σε ουσίες. Ο τομέας της υπολογιστικής χημείας αλλάζει συνεχώς καθώς η τεχνολογία προχωρά και αναπτύσσονται νέες θεωρίες.
Αυτές οι τεχνικές επιτρέπουν στους χημικούς να εξετάσουν δομές που θα ήταν σχεδόν αδύνατο να εξεταστούν διαφορετικά, λόγω του εξαιρετικά μικρού τους μεγέθους. Τα νανοσωματίδια, τα οποία είναι μικρότερα από τα άτομα, μπορούν να μοντελοποιηθούν για χρήση σε εφαρμογές όπως τα ηλεκτρονικά, τα εκρηκτικά και η ιατρική. Δεδομένου ότι μεγάλο μέρος της υπολογιστικής χημείας βασίζεται στη μοντελοποίηση γνωστών ιδιοτήτων, υπάρχει περιθώριο για σφάλματα σε αυτά τα πειράματα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η προηγμένη εκπαίδευση και γνώση στη χημεία και την έρευνα είναι απαραίτητες για να εργαστείτε στην υπολογιστική χημεία.