Kimia komputasi: Perbedaan antara revisi
Konten dihapus Konten ditambahkan
k bot Menambah: bn:গণনামূলক রসায়ন |
NonaSenjaa (bicara | kontrib) kTidak ada ringkasan suntingan |
||
| (33 revisi perantara oleh 23 pengguna tidak ditampilkan) | |||
Baris 1:
[[Berkas:A-DNA orbit animated small.gif|alt=Kimia|jmpl|Kimia]]
'''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|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 elektron]]ik, [[Reaktivitas (kimia)|kereaktifan]], frekuensi getaran dan besaran [[spektroskopi]] lainnya. Simulasi terhadap makromolekul (seperti protein dan [[asam nukleat]]) dan sistem besar bisa mencakup kajian [[Konformasi kimia|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 kimia kuantum ab initio|metode ''ab initio'']] didasarkan sepenuhnya pada [[mekanika kuantum]] dan [[konstanta fisika]] dasar. Metode yang lain disebut sebagai empiris atau [[Metode kimia kuantum semi-empiris|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 atom|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
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 ([[
* Pendekatan dalam penentuan pola dan hubungan antara struktur kimia dan sifat-sifatnya ([[HSSK|QSPR]], [[HSKK|
* 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
* Simulasi proses transisi
* 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]],
==
=== Metode ''ab initio'' ===
{{Utama|Metode kimia kuantum ab initio}}
[[Berkas:Electron correlation.svg|jmpl|ka|300px|Diagram yang menggambarkan berbagai metode struktur elektronik ''ab initio'' dalam hal energi.]]
'''Metode ''ab initio''''' adalah suatu metode berbasis [[kimia kuantum]]<ref name=levine>{{cite book | last = Levine | first = Ira N. | title = Quantum Chemistry | url = https://archive.org/details/quantumchemistry0000levi_o9d6 | publisher = Prentice Hall | year = 1991 | location = Englewood Cliffs, New jersey | pages = [https://archive.org/details/quantumchemistry0000levi_o9d6/page/455 455]–544 | isbn = 0-205-12770-3 | language = en}}</ref> 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 P. Craig|David Craig]] dalam suatu studi [[semiempiris]] pada benzena dalam keadaan tereksitasi.<ref>{{cite web|url=http://www.quantum-chemistry-history.com/Parr1.htm |title=History of Quantum Chemistry|first= Robert G.|last=Parr}}</ref><ref>
{{cite journal
| last = Parr | first = Robert G. | author-link = Robert Parr
|author2=Craig D. P. |author3=Ross, I. G
| title = Molecular Orbital Calculations of the Lower Excited Electronic Levels of Benzene, Configuration Interaction included
| journal = Journal of Chemical Physics
| volume = 18
| issue = 12
| pages = 1561–1563
| year = 1950
| doi = 10.1063/1.1747540| bibcode = 1950JChPh..18.1561P}}</ref>
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 ===
{{Utama|Teori 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–[[Walter Kohn|Kohn]]''' (H–K).<ref name='Hohenberg1964'>{{cite journal|title=Inhomogeneous electron gas|journal=Physical Review|year=1964|first=Pierre|last=Hohenberg |last2=Walter |first2=Kohn|volume=136|issue=3B|pages=B864–B871| doi=10.1103/PhysRev.136.B864|bibcode = 1964PhRv..136..864H }}</ref> 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].<ref>{{cite journal |last=Levy |first=Mel |year=1979 |title=Universal variational functionals of electron densities, first-order density matrices, and natural spin-orbitals and solution of the ''v''-representability problem |journal=Proceedings of the National Academy of Sciences |volume=76 |issue=12 |pages=6062–6065 |doi=10.1073/pnas.76.12.6062|bibcode = 1979PNAS...76.6062L |pmc=411802 }}</ref><ref name="vignale">{{cite journal |last=Vignale |first=G. |first2=Mark |last2=Rasolt |title=Density-functional theory in strong magnetic fields |year = 1987 |journal = Physical Review Letters |volume = 59 |issue=20 |pages=2360–2363 |doi=10.1103/PhysRevLett.59.2360 |pmid=10035523 |bibcode=1987PhRvL..59.2360V}}</ref> 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 (fisika)|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 ===
{{Utama|Metode kimia kuantum 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]],<ref>E. Hückel, ''[[Zeitschrift für Physik]]'', 70, 204, (1931); 72, 310, (1931); 76, 628 (1932); 83, 632, (1933)</ref><ref>Hückel Theory for Organic Chemists, [[Charles A. Coulson|C. A. Coulson]], B. O'Leary and R. B. Mallion, Academic Press, 1978.</ref><ref>[[Andrew Streitwieser]], Molecular Orbital Theory for Organic Chemists, Wiley, New York, (1961)</ref> sementara untuk seluruh sistem dengan elektron valensi, digunakan [[metode perpanjangan Hückel]] yang diusulkan oleh [[Roald Hoffmann]].<ref>R. Hoffmann, ''[[Journal of Chemical Physics]]'', 39, 1397, (1963)</ref>
== 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|Gaussian]]
* Gamess
* Q-Chem
* ACES
* Dalton
* Spartan
* Psi
* PLATO (''Package for Linear Combination of Atomic Orbitals'')
* [[MOLCAS]]
* [[MOLPRO]]
* [[MPQC]]
* [[NWChem]]
* [[PSI (kimia komputasi)|Psi3]]
* [[PC GAMESS]]
* [[Spartan (perangkat lunak)|Spartan]]
* [[TURBOMOLE]]
== Lihat pula ==
{{Portal|Kimia|Fisika}}
{{columns-list|colwidth=30em|
* [[
* [[Bioinformatika]]
* [[Biologi komputasi]]
* [[Pemrograman otomatis#Implementasi|Pembuatan kode yang efisien dengan aljabar komputer]]
* [[Daftar penerbitan penting dalam kimia#Kimia teori, kimia kuantum dan kimia komputasi|Penerbitan penting dalam kimia komputasi]]
* [[In silico]]
* [[International Academy of Quantum Molecular Science]]
* [[Kimia matematis]]
* [[Grafis molekul]]
* [[Permodelan molekul]]
* [[Permodelan molekul pada GPU]]
* [[Permodelan molekul Monte Carlo]]
* [[Dinamika molekul Car–Parrinello]]
* [[Dinamika protein]]
* [[Komputasi ilmiah]]
* [[Mekanika statistik]]
* [[Mekanika molekul]]
* [[Model pelarut]]
* [[Teori fungsi rapatan]]
</div>
}}
==
{{Reflist}}
== 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, [http://www.worldscibooks.com/physics/6988.html Practical Guide to Computer Simulations] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20090211113048/http://worldscibooks.com/physics/6988.html |date=2009-02-11 }}, [[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). ''[http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-047196588X.html Encyclopedia of Computational Chemistry]''. Wiley, '''1998'''. {{ISBN|0-471-96588-X}}.
* D. Sherrill. [http://vergil.chemistry.gatech.edu/notes/ 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 [http://www.ccl.net/cca/documents/dyoung/topics-orig/compchem.html Introduction to Computational Chemistry].
* {{cite book|doi=10.1007/978-90-481-3862-3|publisher= Springer |location=Heidelberg|title= Computational Chemistry |year= 2011 |last1= Lewars |first1= Errol G. |isbn= 978-90-481-3860-9}}
== Jurnal khusus dalam kimia komputasi ==
* ''[http://onlinelibrary.wiley.com/bookseries/10.1002/SERIES6143 Reviews in Computational Chemistry]''
* ''[[Journal of Computational Chemistry]]''
* ''[[Journal of Chemical Information and Modeling]]''
* ''[https://www.springer.com/chemistry/physical+chemistry/journal/10822 Journal of Computer-aided Molecular Design]''
* ''[[Journal of Chemical Information and Modeling]]''
* ''[[Journal of Chemical Theory and Computation]]''
* ''[http://www.sciencedirect.com/science/journal/10893156 Computational and Theoretical Polymer Science]''
* ''[[Computational and Theoretical Chemistry]]''
* ''[[Journal of Theoretical and Computational Chemistry]]''
* ''[[Journal of Cheminformatics]]''
* ''[https://www.jstage.jst.go.jp/browse/jccj Journal of Computer Chemistry Japan]''
* ''[http://www.sciencedirect.com/science/bookseries/15741400 Annual Reports in Computational Chemistry]''
* ''[http://www.journals.elsevier.com/computers-and-chemical-engineering/ Computers & Chemical Engineering]''
* ''[https://www.jstage.jst.go.jp/browse/jchemsoft Journal of Chemical Software]''
* ''[[Molecular Informatics]]''
* ''[https://www.jstage.jst.go.jp/browse/jcac Journal of Computer Aided Chemistry]''
* ''[[Theoretical Chemistry Accounts]]''
== Pranala luar ==
{{Commonscat|Computational chemistry|Kimia komputasi}}
* [http://cccbdb.nist.gov/ NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark DataBase] – Berisi basis data ribuan hasil komputasi dan eksperimental untuk ratusan sistem
* [http://www.acscomp.org/ American Chemical Society Division of Computers in Chemistry] – American Chemical Society Computers in Chemistry Division, resources for grants, awards, contacts and meetings.
* [http://books.nap.edu/openbook.php?record_id=2206&page=R1 CSTB report] Mathematical Research in Materials Science: Opportunities and Perspectives – CSTB Report
* [http://ocw.mit.edu/courses/materials-science-and-engineering/3-320-atomistic-computer-modeling-of-materials-sma-5107-spring-2005/ 3.320 Atomistic Computer Modeling of Materials (SMA 5107)] Kuliah [[MIT]] Gratis
* [https://www.youtube.com/playlist?list=PLkNVwyLvX_TFBLHCvApmvafqqQUHb6JwF Chem 4021/8021 Computational Chemistry] Kuliah [[Universitas Minnesota]] Gratis
* [https://web.archive.org/web/20080414141107/http://www.chemicalvision2020.org/pdfs/compchem.pdf Technology Roadmap for Computational Chemistry]
* [http://www.wtec.org/molmodel/mm_final.pdf Applications of molecular and materials modelling.]
* [http://books.nap.edu/openbook.php?record_id=9591&page=1 Impact of Advances in Computing and Communications Technologies on Chemical Science and Technology CSTB Report]
* [http://www.nvidia.com/object/tesla_bio_workbench.html MD and Computational Chemistry applications on GPUs]
{{CabangKimia}}
{{Authority control}}
[[Kategori:Kimia komputasi| ]]
[[Kategori:Kimia teori]]
| |||