Kimia komputasi

Kimia komputasi adalah cabang kimia yang menggunakan hasil kimia teori yang diterjemahkan ke dalam program komputer melalui simulasi komputer untuk menghitung sifat-sifat molekul dan perubahannya maupun melakukan simulasi terhadap sistem-sistem besar (makromolekul seperti protein atau sistem banyak molekul seperti gas, cairan, padatan, dan kristal cair), dan menerapkan program tersebut pada sistem kimia nyata. Contoh sifat-sifat molekul yang dihitung antara lain struktur (yaitu letak atom-atom penyusunnya), energi dan selisih energi, muatan, momen dipol, kerapatan elektronik, kereaktifan, frekuensi getaran dan besaran spektroskopi lainnya. Simulasi terhadap makromolekul (seperti protein dan asam nukleat) dan sistem besar bisa mencakup kajian konformasi molekul dan perubahannya (mis. proses denaturasi protein), perubahan fase, serta peramalan sifat-sifat makroskopik (seperti panas jenis) berdasarkan perilaku di tingkat atom dan molekul. Istilah kimia komputasi kadang-kadang digunakan juga untuk bidang-bidang tumpang-tindah antara ilmu komputer dan kimia.

Metode ini digunakan bagik pada situasi statis dan dinamis. Dalam seluruh kasus ini, waktu komputerisasi dan sumber lainnya (seperti ruang memori dan cakram) meningkat secara cepat dengan ukuran sistem yang tengah dipelajari. Sistem tersebut dapat berupa sebuah molekul, sebuah gugus molekul, atau sebuah padatan. Metode kimia komputasi terdiri dari metode-metode yang sangat mendekati hingga sangat akurat terhadap penyelesaiannya; yang terakhir biasanya layak bagi sistem kecil saja. metode ab initio didasarkan sepenuhnya pada mekanika kuantum dan konstanta fisika dasar. Metode yang lain disebut sebagai empiris atau semi-empiris karena keduanya menggunakan parameter empiris tambahan.

Baik pendekatan ab initio maupun semi-empiris, kedua-duanya melibatkan pendekatan. Pendekatan tersebut dimulai dari bentuk persamaan dasar pertama yang sederhana yang mudah atau cepat diselesaikan, untuk perkiraan yang membatasi ukuran sistem (misalnya, kondisi batas periodik), hingga perkiraan mendasar terhadap persamaan mendasar yang diperlukan untuk mencapai penyelesaian apa pun. Sebagai contoh, kebanyakan perhitungan ab initio membuat pendekatan Born–Oppenheimer, yang sangat menyederhanakan persamaan Schrödinger yang mendasarinya dengan mengasumsikan bahwa inti tetap ada selama perhitungan. Pada prinsipnya, metode ab initio pada akhirnya menuju pada penyelesaian pasti dari persamaan yang mendasari karena jumlah perkiraan dikurangi. Namun dalam praktiknya, tidak mungkin untuk menghilangkan semua perkiraan tersebut, dan kesalahan residual tetap ada. Tujuan dari kimia komputasi adalah untuk meminimalkan kesalahan residual ini sambil tetap menjaga agar perhitungan dapat dilakukan.

Dalam beberapa kasus, perincian struktur elektronik kurang begitu penting dibandingkan perilaku ruang fase lama dari molekul. Ini adalah kasus dalam studi konformasi protein dan termodinamika pengikat protein-ligan. Perkiraan klasik ke permukaan energi potensial digunakan, karena mereka secara komputasi kurang intensif daripada perhitungan elektronik, untuk memungkinkan simulasi yang lebih lama dari dinamika molekul. Selain itu, informatika kimia menggunakan metode yang lebih empiris (dan lebih murah secara komputasi) seperti pemelajaran mesin yang berdasarkan pada sifat fisikokimia. Salah satu masalah khas dalam informatika kimia adalah untuk memprediksi afinitas pengikatan molekul obat dengan target yang diberikan.

Pendahuluan

Istilah kimia teori dapat didefinisikan sebagai deskripsi matematika untuk kimia, sedangkan kimia komputasi biasanya digunakan ketika metode matematika dikembangkan dengan cukup baik untuk dapat digunakan dalam program komputer. Perlu dicatat bahwa kata "tepat" atau "sempurna" tidak muncul di sini, karena sedikit sekali aspek kimia yang dapat dihitung secara tepat. Hampir semua aspek kimia dapat digambarkan dalam skema komputasi kualitatif atau kuantitatif hampiran.

Molekul terdiri atas inti dan elektron, sehingga diperlukan metode mekanika kuantum. Kimiawan komputasi sering berusaha memecahkan persamaan Schrödinger non-relativistik, dengan penambahan koreksi relativistik, walaupun beberapa perkembangan telah dilakukan untuk memecahkan persamaan Schrödinger yang sepenuhnya relativistik. Pada prinsipnya persamaan Schrödinger mungkin diselesaikan, baik dalam bentuk bergantung-waktu atau tak-bergantung-waktu, disesuaikan dengan masalah yang dikaji, tetapi pada praktiknya tidak mungkin kecuali untuk sistem yang amat kecil. Karena itu, sejumlah besar metode hampiran dikembangkan untuk mencapai kompromi terbaik antara ketepatan perhitungan dan biaya komputasi.

Dalam kimia teori, kimiawan dan fisikawan secara bersama mengembangkan algoritme dan program komputer untuk memungkinkan peramalan sifat-sifat atom dan molekul, dan/atau lintasan reaksi untuk reaksi kimia, serta simulasi sistem makroskopis. Kimiawan komputasi kebanyakan “sekadar” menggunakan program komputer dan metodologi yang ada dan menerapkannya untuk permasalahan kimia tertentu. Di antara sebagian besar waktu yang digunakan untuk hal tersebut, kimiawan komputasi juga dapat terlibat dalam pengembangan algoritme baru, maupun pemilihan teori kimia yang sesuai, agar diperoleh proses komputasi yang paling efisien dan akurat.

Terdapat beberapa pendekatan yang dapat dilakukan:

Kajian komputasi dapat dilakukan untuk menemukan titik awal untuk sintesis dalam laboratorium.
Kajian komputasi dapat digunakan untuk menjelajahi mekanisme reaksi dan menjelaskan pengamatan pada reaksi di laboratorium.
Kajian komputasi dapat digunakan untuk memahami sifat dan perubahan pada sistem makroskopis melalui simulasi yang berlandaskan hukum-hukum interaksi yang ada dalam sistem.

Terdapat beberapa bidang utama dalam topik ini, antara lain:

Penyajian komputasi atom dan molekul
Pendekatan dalam penyimpanan dan pencarian spesi kimia (Basis data kimia)
Pendekatan dalam penentuan pola dan hubungan antara struktur kimia dan sifat-sifatnya (QSPR, HKSA)
Elusidasi struktur secara teoretis berdasarkan pada simulasi gaya-gaya
Pendekatan komputasi untuk membantu sintesis senyawa yang efisien
Pendekatan komputasi untuk merancang molekul yang berinteraksi lewat cara-cara yang khusus (khususnya dalam perancangan obat dan katalisis)
Simulasi proses transisi fase
Simulasi sifat-sifat bahan seperti polimer, logam, dan kristal (termasuk kristal cair).

Program yang digunakan dalam kimia komputasi didasarkan pada berbagai metode kimia-kuantum yang memecahkan persamaan Schrödinger untuk molekul, maupun pendekatan fisika klasik (mekanika molekul) untuk simulasi sistem yang besar. Metode kimia-kuantum yang tidak mencakup parameter empiris dan semi-empiris dalam persamaannya disebut metode ab-initio. Jenis-jenis metode ab-initio yang populer adalah: Hartree-Fock, teori gangguan Møller-Plesset, interaksi konfigurasi, kluster berganda (coupled-cluster), matriks kerapatan tereduksi, dan teori fungsi kerapatan.

Metode

Metode ab initio

Diagram yang menggambarkan berbagai metode struktur elektronik ab initio dalam hal energi.

Metode ab initio adalah suatu metode berbasis kimia kuantum^[1] yang erat hubungannya dengan perhitungan yang bersifat umum dari penyelesaian persamaan Schrödinger tanpa perlu memasukan data eksperimen, dimana perhitungannya selalu menggunakan acuan perhitungan perkiraan mekanika kuantum. Istilah ab initio pertama kali digunakan dalam kimia kuantum oleh Robert Parr dan rekan kerjanya, termasuk David Craig dalam suatu studi semiempiris pada benzena dalam keadaan tereksitasi.^[2]^[3]

Metode ini mempunyai akurasi paling tinggi dibanding metode lainnya. Namun, sebagai konsekuensi dari tingginya ketelitian metode ini, diperlukan waktu operasi yang lama sehingga hanya mungkin diterapkan pada molekul-molekul berukuran kecil. Keunggulan dari metode ab initio ini adalah bahwa metode ini dikembangkan sebagai sebuah konsep yang bersifat umum yang dapat menjelaskan "pemodelan kimia". Jenis kalkulasi struktur elektronik ab initio yang paling sederhana adalah metode Hartree–Fock (HF).

Metode fungsi rapatan

Metode teori fungsi rapatan (Density functional theory, DFT) merupakan salah satu metode komputasi yang digunakan untuk perhitungan kimia melalui penyelesaian persamaan Schrödinger secara sederhana karena didasarkan pada kerapatan elektron. DFT pertama kali diletakkan pada pijakan teoritis oleh Walter Kohn dan Pierre Hohenberg melalui kerangka teorema Hohenberg–Kohn (H–K).^[4] DFT dibangun dengan pemikiran bahwa energi elektronik sistem dapat didefinisikan sebagai persamaan dari kebolehjadian rapatan elektron, ρ. Untuk sistem dengan elektron sejumlah n, ρ(r) menggambarkan kerapatan elektron total dalam ruang lingkup tertentu, r. Berdasarkan pada formalisme DFT, energi elektronik E dianggap sebagai fungsi dari rapatan elektron E[ρ].^[5]^[6] Keuntungan dari metode ini adalah tidak terpengaruh oleh ukuran sistem, di mana pada metode ab initio, kompleksitas fungsi gelombang akan semakin meningkat dengan bertambahnya jumlah elektron, namun dalam DFT peubah kerapatan elektron dijaga tetap dan tidak terpengaruh oleh ukuran sistem.

DFT terkadang dianggap sebagai metode ab initio untuk menentukan struktur elektronik molekul, meskipun banyak fungsi yang paling umum menggunakan parameter yang berasal dari data empiris, atau dari perhitungan yang lebih kompleks. Dalam DFT, energi total dinyatakan dalam total energi-kerapatan elektron dan bukan dalam fungsi gelombang. Dalam jenis perhitungan ini, terdapat pendekatan Hamiltonian dan suatu pendekatan ekspresi untuk mendapat rapatan elektron total. Beberapa metode menggabungkan fungsi pertukaran fungsional rapatan dengan istilah pertukaran Hartree-Fock dan disebut sebagai metode fungsional hibrid.

Metode semi-empiris

Metode kimia kuantum semi-empiris didasarkan pada formalisme metode Hartree–Fock, namun membuat banyak perkiraan dan mendapatkan beberapa parameter dari data empiris. Metode ini sangat penting dalam kimia komputasi dari tahun 60-an hingga 90-an, terutama untuk menangani molekul besar di mana metode Hartree-Fock tidak efektif digunakan karena menimbulkan biaya yang mahal. Penggunaan parameter empiris muncul untuk memungkinkan dimasukkannya beberapa efek korelasi ke dalam metode ini. Untuk sistem dengan elektron-π, dapat menggunakan metode Hückel yang diusulkan oleh Erich Hückel,^[7]^[8]^[9] sementara untuk seluruh sistem dengan elektron valensi, digunakan metode perpanjangan Hückel yang diusulkan oleh Roald Hoffmann.^[10]

Komputasi molekul

Sifat-sifat molekul, seperti energi, struktur, momen dipol, keterpolaran, atau hyperpolarizability merupakan beberapa besaran yang dapat dihitung lewat perhitungan komputasi. Dalam komputasi molekul, terdapat beberapa teknik untuk menghitung sifat-sifat molekul, yaitu mekanika molekul, teori fungsi kerapatan atau teori struktur elektron.

Paket perangkat lunak

Sejumlah paket perangkat lunak menyediakan berbagai metode kimia kuantum. Beberapa termasuk banyak metode yang mencakup berbagai, sementara yang lain berkonsentrasi pada rentang yang sangat spesifik atau bahkan pada satu metode. Beberapa perangkat lunak yang umum digunakan diantaranya:

Gaussian
Gamess
Q-Chem
ACES
Dalton
Spartan
Psi
PLATO (Package for Linear Combination of Atomic Orbitals)
MOLCAS
MOLPRO
MPQC
NWChem
Psi3
PC GAMESS
Spartan
TURBOMOLE

Lihat pula

Catatan dan referensi

^ Levine, Ira N. (1991). Quantum Chemistry (dalam bahasa Inggris). Englewood Cliffs, New jersey: Prentice Hall. hlm. 455–544. ISBN 0-205-12770-3.
^ Parr, Robert G. "History of Quantum Chemistry".
^ Parr, Robert G.; Craig D. P.; Ross, I. G (1950). "Molecular Orbital Calculations of the Lower Excited Electronic Levels of Benzene, Configuration Interaction included". Journal of Chemical Physics. 18 (12): 1561–1563. Bibcode:1950JChPh..18.1561P. doi:10.1063/1.1747540.
^ Hohenberg, Pierre; Walter, Kohn (1964). "Inhomogeneous electron gas". Physical Review. 136 (3B): B864–B871. Bibcode:1964PhRv..136..864H. doi:10.1103/PhysRev.136.B864.
^ Levy, Mel (1979). "Universal variational functionals of electron densities, first-order density matrices, and natural spin-orbitals and solution of the v-representability problem". Proceedings of the National Academy of Sciences. 76 (12): 6062–6065. Bibcode:1979PNAS...76.6062L. doi:10.1073/pnas.76.12.6062. PMC 411802  .
^ Vignale, G.; Rasolt, Mark (1987). "Density-functional theory in strong magnetic fields". Physical Review Letters. 59 (20): 2360–2363. Bibcode:1987PhRvL..59.2360V. doi:10.1103/PhysRevLett.59.2360. PMID 10035523.
^ E. Hückel, Zeitschrift für Physik, 70, 204, (1931); 72, 310, (1931); 76, 628 (1932); 83, 632, (1933)
^ Hückel Theory for Organic Chemists, C. A. Coulson, B. O'Leary and R. B. Mallion, Academic Press, 1978.
^ Andrew Streitwieser, Molecular Orbital Theory for Organic Chemists, Wiley, New York, (1961)
^ R. Hoffmann, Journal of Chemical Physics, 39, 1397, (1963)

Daftar pustaka

C. J. Cramer Essentials of Computational Chemistry, John Wiley & Sons (2002).
T. Clark A Handbook of Computational Chemistry, Wiley, New York (1985).
R. Dronskowski Computational Chemistry of Solid State Materials, Wiley-VCH (2005).
A.K. Hartmann, Practical Guide to Computer Simulations Diarsipkan 2009-02-11 di Wayback Machine., World Scientific (2009)
F. Jensen Introduction to Computational Chemistry, John Wiley & Sons (1999).
K.I. Ramachandran, G Deepa and Krishnan Namboori. P.K. Computational Chemistry and Molecular Modeling Principles and applications Springer-Verlag GmbH ISBN 978-3-540-77302-3.
D. Rogers Computational Chemistry Using the PC, 3rd Edition, John Wiley & Sons (2003).
P. v. R. Schleyer (Editor-in-Chief). Encyclopedia of Computational Chemistry. Wiley, 1998. ISBN 0-471-96588-X.
D. Sherrill. Notes on Quantum Mechanics and Computational Chemistry.
J. Simons An introduction to Theoretical Chemistry, Cambridge (2003) ISBN 978-0-521-53047-7.
A. Szabo, N.S. Ostlund, Modern Quantum Chemistry, McGraw-Hill (1982).
D. Young Computational Chemistry: A Practical Guide for Applying Techniques to Real World Problems, John Wiley & Sons (2001).
D. Young's Introduction to Computational Chemistry.
Lewars, Errol G. (2011). Computational Chemistry. Heidelberg: Springer. doi:10.1007/978-90-481-3862-3. ISBN 978-90-481-3860-9.

Jurnal khusus dalam kimia komputasi

Pranala luar

NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark DataBase – Berisi basis data ribuan hasil komputasi dan eksperimental untuk ratusan sistem
American Chemical Society Division of Computers in Chemistry – American Chemical Society Computers in Chemistry Division, resources for grants, awards, contacts and meetings.
CSTB report Mathematical Research in Materials Science: Opportunities and Perspectives – CSTB Report
3.320 Atomistic Computer Modeling of Materials (SMA 5107) Kuliah MIT Gratis
Chem 4021/8021 Computational Chemistry Kuliah Universitas Minnesota Gratis
Technology Roadmap for Computational Chemistry
Applications of molecular and materials modelling.
Impact of Advances in Computing and Communications Technologies on Chemical Science and Technology CSTB Report
MD and Computational Chemistry applications on GPUs

[levine-1] Levine, Ira N. (1991). Quantum Chemistry (dalam bahasa Inggris). Englewood Cliffs, New jersey: Prentice Hall. hlm. 455–544. ISBN 0-205-12770-3.

[2] Parr, Robert G. "History of Quantum Chemistry".

[3] Parr, Robert G.; Craig D. P.; Ross, I. G (1950). "Molecular Orbital Calculations of the Lower Excited Electronic Levels of Benzene, Configuration Interaction included". Journal of Chemical Physics. 18 (12): 1561–1563. Bibcode:1950JChPh..18.1561P. doi:10.1063/1.1747540.

[Hohenberg1964-4] Hohenberg, Pierre; Walter, Kohn (1964). "Inhomogeneous electron gas". Physical Review. 136 (3B): B864–B871. Bibcode:1964PhRv..136..864H. doi:10.1103/PhysRev.136.B864.

[5] Levy, Mel (1979). "Universal variational functionals of electron densities, first-order density matrices, and natural spin-orbitals and solution of the v-representability problem". Proceedings of the National Academy of Sciences. 76 (12): 6062–6065. Bibcode:1979PNAS...76.6062L. doi:10.1073/pnas.76.12.6062. PMC 411802  .

[vignale-6] Vignale, G.; Rasolt, Mark (1987). "Density-functional theory in strong magnetic fields". Physical Review Letters. 59 (20): 2360–2363. Bibcode:1987PhRvL..59.2360V. doi:10.1103/PhysRevLett.59.2360. PMID 10035523.

[7] E. Hückel, Zeitschrift für Physik, 70, 204, (1931); 72, 310, (1931); 76, 628 (1932); 83, 632, (1933)

[8] Hückel Theory for Organic Chemists, C. A. Coulson, B. O'Leary and R. B. Mallion, Academic Press, 1978.

[9] Andrew Streitwieser, Molecular Orbital Theory for Organic Chemists, Wiley, New York, (1961)

[10] R. Hoffmann, Journal of Chemical Physics, 39, 1397, (1963)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]