Komputasi

Kimia komputasi adalah cabang kimia yang menggunakan hasil kimia teori yang diterjemahkan ke dalam program 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, 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 fasa, serta peramalan sifat-sifat makroskopik (seperti kalor 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.

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 algoritma 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 “sekedar” 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 algoritma baru, maupun pemilihan teori kimia yang sesuai, agar diperoleh proses komputasi yang paling efisien dan akurat.
Terdapat beberapa pendekatan yang dapat dilakukan:
  1. Kajian komputasi dapat dilakukan untuk menemukan titik awal untuk sintesis dalam laboratorium.
  2. Kajian komputasi dapat digunakan untuk menjelajahi mekanisme reaksi dan menjelaskan pengamatan pada reaksi di laboratorium.
  3. 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 (Basisdata kimia)
  • Pendekatan dalam penentuan pola dan hubungan antara struktur kimia dan sifat-sifatnya (QSPR, QSAR).
  • 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.
  • Simulasi proses transisi fasa
  • 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, coupled cluster, matriks kerapatan tereduksi, dan teori fungsi kerapatan.




Istilah dalam Kimia Komputasi

  • Teori fungsi kerapatan (DFT, Density functional theory) merupakan salah satu dari beberapa pendekatan populer untuk perhitungan struktur elektron banyak-partikel secara mekanika kuantum untuk sistem molekul dan bahan rapat. Teori Fungsi Kerapatan (DFT) adalah teori mekanika kuantum yang digunakan dalam fisika dan kimia untuk mengamati keadaan dasar dari sistem banyak partikel
  •  Metode Hartree-Fock merupakan suatu prosedur pengulangan self-consistent untuk menghitung "kemungkinan terbaik" solusi determinan tunggal terhadap persamaan Schrödinger tak tergantung-waktu dari sistem berelektron banyak dalam potensial Coulomb inti tetap
  • Persamaan Roothaan sering digunakan dalam perhitungan numerik untuk mendekati nilai yang diperoleh dari perhitungan menggunakan persamaan Hartree-Fock. Persamaan ini tersusun atas basis set yang tidak ortogonal satu sama lain, seperti: fungsi-fungsi dalam Gaussian atau Slater. Persamaan ini hanya berlaku untuk sistem tertutup dimana semua elektron dalam orbital memiliki pasangan
  • Molekul didefinisikan sebagai sekelompok atom (paling sedikit dua) yang saling berikatan dengan sangat kuat (kovalen) dalam susunan tertentu dan bermuatan netral serta cukup stabil.[1][2] Menurut definisi ini, molekul berbeda dengan ion poliatomik. Dalam kimia organik dan biokimia, istilah molekul digunakan secara kurang kaku, sehingga molekul organik dan biomolekul bermuatan pun dianggap termasuk molekul.
  • Atom adalah suatu satuan dasar materi, yang terdiri atas inti atom serta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya. Inti atom terdiri atas proton yang bermuatan positif, dan neutron yang bermuatan netral (kecuali pada inti atom Hidrogen-1, yang tidak memiliki neutron). Elektron-elektron pada sebuah atom terikat pada inti atom oleh gaya elektromagnetik. 
  • Komputasi paralel adalah salah satu teknik melakukan komputasi secara bersamaan dengan memanfaatkan beberapa komputer independen secara bersamaan. Ini umumnya diperlukan saat kapasitas yang diperlukan sangat besar, baik karena harus mengolah data dalam jumlah besar (di industri keuangan, bioinformatika, dll) ataupun karena tuntutan proses komputasi yang banyak
  • Huckel adalah metode sederhana dan perkiraan untuk semi-empiris perhitungan mekanika kuantum. Metode yang digunakan dalam Huckel yang diperluas HyperChem hanya berguna untuk perhitungan bagian tunggal, bukan untuk optimasi geometri atau perhitungan dinamika molekul. Diperpanjang Huckel perhitungan menghasilkan deskripsi kualitatif atau semi-kuantitatif orbital molekul dan sifat elektronik (misalnya, biaya atom bersih dan distribusi spin).
  • ·CNDO adalah yang paling sederhana dari metode SCF untuk semi-empiris perhitungan mekanika kuantum. Hal ini berguna untuk menghitung sifat keadaan dasar elektronik sistem terbuka dan tertutup-shell, optimasi geometri, dan energi total. HyperChem menggunakan CNDO / 2.
  • ·INDO merupakan metode SCF untuk semi-empiris perhitungan mekanika kuantum. Ini meningkatkan pada CNDO oleh akuntansi pasti satu-pusat tolakan antara elektron pada atom yang sama. Berguna untuk menghitung keadaan-dasar sifat elektronik dari sistem terbuka dan tertutup-shell, optimasi geometri, dan energi total.
  • ·MINDO / 3 adalah metode SCF untuk semi-empiris perhitungan mekanika kuantum. Perpanjangan INDO, Mindo / 3 menggunakan parameter cocok untuk hasil eksperimen, bukan perhitungan yang akurat. Berguna untuk molekul organik besar, kation, dan senyawa polynitro. Menghitung sifat elektronik, optimasi geometri, dan energi total.
  • ·MNDO merupakan metode SCF untuk semi-empiris perhitungan mekanika kuantum. Berguna untuk berbagai molekul organik yang mengandung unsur-unsur dari barisan panjang 1 dan 2 dari tabel periodik, tetapi tidak logam transisi. Menghilangkan beberapa kesalahan dalam MNDO / 3. Menghitung sifat elektronik, geometri dioptimalkan, energi total, dan panas pembentukan
  • ·AMI adalah semi-empiris SCF metode untuk perhitungan kimia. Perbaikan dari metode MNDO. Berguna untuk molekul yang mengandung unsur-unsur dari barisan panjang 1 dan 2 dari tabel periodik, tetapi tidak logam transisi. Bersama dengan PM3, AM1 umumnya metode semi-empiris paling akurat termasuk dalam HyperChem. Menghitung sifat elektronik, geometri dioptimalkan, energi total, dan panas pembentukan.
  • ·PM3 adalah A semi-empiris SCF metode untuk perhitungan kimia. PM3 adalah reparametrization dari metode AM1. PM3 dan AM1 umumnya metode yang paling akurat dalam HyperChem. PM3 telah parameter bagi banyak elemen kelompok utama dan beberapa logam transisi.
  • ·ZINDO / 1 adalah Basis versi modifikasi dari INDO / 1 dan dapat digunakan ZINDO / 1 untuk menghitung keadaan energi dalam molekul yang mengandung logam transisi.
  • ZINDO / S adalah Sebuah metode INDO parameter untuk mereproduksi spektroskopi UV transisi terlihat ketika digunakan dengan sendiri-bersemangat interaksi konfigurasi (CI) methods.Use ZINDO / 1 daripada ZINDO / S untuk optimasi geometri dan perbandingan energi total.
  • Semi-empiris adalah jenis perhitungan kimia kuantum mekanik yang menggunakan parameter berasal dari eksperimen untuk menyederhanakan proses perhitungan. 
  •  Molecular modeling merupakan suatu metode untuk merancang dan menganalisis struktur dan sifat-sifat molekul tertentu dengan mengunakan teknik kimia komputasional dan teknik visualisasi grafis yang bertujuan untuk menyediakan struktur geometri tiga dimensi yang sesuai dengan parameter kondisi yang telah ditentukan. (Leach, 2001).
  •  Molecular docking merupakan suatu teknik yang digunakan untuk mempelajari interaksi yang terjadi dari suatu kompleks molekul. Molecular docking dapat memprediksikan orientasi dari suatu molekul ke molekul yang lain ketika berikatan membentuk kompleks yang stabil. (Funkhouser, 2007).
  •  Molecular Operating Environment (MOE) dikembangkan Chemical Computing Group (www.chemcomp.com). MOE selain menawarkan fasilitas yang cukup lengkap juga user-friendly sehingga cocok digunakan dalam pembelajaran. Hanya saja aplikasi kimia komputasi yang user-friendly biasanya mahal sehingga alasan efisiensi biaya tidak lagi relevan.
  • OV (Orbital Viewer) adalah perangkat lunak gratis untuk menggambarkan orbital atom dan molekul, membuat animasi maupun untuk melihat penampang lintang (struktur dalam) orbital. Dapat pula dibuat gambar 3D (yang dapat dilihat dengan kacamata 3D sperti yang digunakan untuk melihat sinetron 3D). (Modul Struktur dan Kereaktifan Kimia Anorganik, Dr. Ismunandar)
  • Ab initio berasal dari bahasa latin yang diberikan untuk menandai perhitungan yang diturunkan secara langsung dari prinsip-prinsip teoritis, tanpa memasukkan data eksperimen. Ab initio mengacu pada perhitungan mekanika kuantum melalui beberapa pendekatan matematis, seperti penggunaan persamaan yang disederhanakan (Born Oppenheimer approximation) atau pendekatan untuk penyelesaian persamaan differensial. (PENGANTAR KIMIA KOMPUTASI, Dr. Harno Dwi Pranowo, M.Si)
  • Kimia kuantum adalah sebuah aplikasi mekanika kuantum pada kimia. Kimia kuantum memungkinkan kita untuk memahami dan memprediksi struktur, sifat dan mekanisme reaksi dari berbagai bahan. 
  • BS (Balls & Sticks) adalah perangkat lunak gratis untuk menggambarkan struktur kimia, terutama kristal, dalam 3D dan dapat menghasilkan gambar bitmap yang dapat disalin ke clipboard dan ditempelkan (paste) di dokumen pengolah kata (Word misalnya).
    •  
     

Manfaat Kimia Komputasi untuk Pembelajaran

1. Dapat menghitung sifat molekul yang kompleks dan hasil perhitungannya berkorelasi secara signifikan dengan eksperimen.

2. Dapat sebagai alat hitung –seperti halnya kalkulator- untuk membantu penyelesaian secara numerik dari persamaan matematika yang menggambarkan sifat sistem, misalnya dalam penyelesaian perhitungan stokiometri, termasuk juga otomatisasi alat ukur yang dapat mengkonversi signal elektronik menjadi data numerik.

3. Dapat sebagai alat visualisasi dan animasi

4. Membantu kita mengeksplorasi sifat senyawa dan pada umumnya program tersebut telah dilengkapi dengan visualisasi dan animasi, seperti program HyperChem, Gaussian, Turbomol, Rasmol dll.

5. 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.

6. Simulasi terhadap makromolekul (seperti protein dan asam nukleat) dan sistem besar bisa mencakup kajian konformasi molekul dan perubahannya (mis. Proses denatrasi protein), perubahan fasa, serta peramalan sifat-sifat makroskopik (seperti kalor jenis) berdasarkan perilaku di tingkat atom.


Manfaat Kimia Komputasi untuk Penelitian

  1.  Untuk menemukan titik awal untuk sintesis dalam laboratorium
  2.  Untuk menjelajahi mekanisme reaksi dan menjelaskan penamatan pada reaksi di laboratorium
  3.  Untuk memahami sifat dan perubahan pada sistem makroskopis melalui simulasi yang berlandaskan  hukum-hukum interaksi yang ada dalam sistem
  4. Untuk penentuan interaksi orbital batas (frontier) antara molekul donor dan aseptor seperti yang digambarkan pada reaksi siklisasi Diels-Alder
  5. Untuk mendapatkan muatan atomik parsial menggunakan analisis populasi Mulliken untuk memprediksi sisi molekul yang mudah diserang oleh pereaksi.
  6. Untuk menghasilkan peta potensial elektrostatik yang dapat memberikan gambaran trajektori dalam penerapan proses docking antara obat dan reseptor.
  7. Untuk menghitung kerapatan spin tak berpasangan untuk mengidentifikasi sisi reaktif pada molekul atau untuk membandingkan dengan data ESR
  8. Untuk perhitungan kimia kuantum dapat memprediksi intensitas dan panjang gelombang dari transisi elektronik dan juga dapat memprediksi lokasi dari keadaan aktif secara non-sepktroskopi
  9. Untuk perhitungan kimia kuantum dapat memperkirakan intensitas dan bilangan gelombang dari garis serapan vibrasi dan sekaligus dapat menggambarkan gerakan dari mode normal dengan menggunakan vektor dan animasi.
Langganan: Postingan (Atom)