Mengenal Kimia Komputasi

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:

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 (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).

Mengenal Kimia Komputasi

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. 

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. 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.