Pengantar Kimia Komputasi

KIMIA KOMPUTASI

Pendahuluan

Dewasa ini, eksperimen komputer memainkan peranan yang sangat penting dalam perkembangan sians. Pada masa lalu, sains ditunjukkan oleh kaitan antara eksperimen dan teori. Dalam eksperimen, sistem yang dipelajari diukur dengan peralatan eksperimen dan hasilnya dinyatakan dalam bentuk numerik. Dalam teori, model suatu sistem pada umumnya disusun dalam suatu bentuk himpunan persamaan matematik. Dalam banyak hal, pemodelan diikuti oleh penyederhanaan permasalahan dalam rangka menghindari permasalahn kompleksitas perhitungan, sehingga sering aplikasi dari model teoritis ini dapat menjelaskan bentuk riil dari sistem makroskopis seperti larutan, protein dll.

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 kimia nyata.

Perkembangan komputasi yang sangat pesat dimulai pada tahun 1950, telah mengubah diskripsi suatu sistem kimia dengan masuknya unsur baru diantara eksperimen dan teori yaitu eksperimen komputer (Computer Experiment). Dalam eksperimen komputer, model masih tetap menggunakan hasil dari pakar kimia teoritis, tetapi perhitungan dilakukan dengan komputer berdasar atas suatu "resep" (algoritma yang dituliskan dalam bahasa pemrograman). Keuntungan dari metoda ini adalah dimungkinkannya menghitung sifat molekul yang kompleks dan hasil perhitungannya berkorelasi secara signifikan dengan eksperimen. Perkembangan eksperimen komputer mengubah secara substansial hubungan tradisional antara teori dan eksperimen.

Simulasi komputer membutuhkan suatu metoda yang akurat dalam memodelkan sistem yang dikaji. Simulasi sering dapat dilakukan dengan kondisi yang sangat mirip dengan eksperimen sehingga hasil perhitungan kimia komputasi dapat dibandingkan secara langsung dengan eksperimen. Jika hal ini terjadi, maka simulasi bersifat sebagai alat yang sangat berguna, bukan hanya untuk memahami dan menginterpretasi data eksperimen dalam tingkat 2 mikroskopik, tetapi juga dapat mengkaji bagian yang tidak dapat dijangkau secara eksperimen, seperti reaksi pada kondisi tekanan yang sangat tinggi atau reaksi yang melibatkan gas berbahaya.

Penelitian kimia dengan alat komputer pada era 1950-an dimulai dengan kajian hubungan struktur kimia dengan aktivitas fisiologi dari senyawa. Salah satu ahli kimia yang berjasa besar dalam bidang ini adalah John Pople yang berhasil mengkonversi teori-teori fisika dan matematika ke dalam kimia melalui program komputer. Metode kimia komputasi memungkinkan para kimiawan melakukan penentuan struktur dan sifat suatu sistem kimia dengan cepat. Bidang yang sangat terbantu dengan berkembang kimia komputasi adalah bidang kristalografi.

Dua peneliti dalam bidang kimia komputasi telah memenangkan hadiah Nobel bidang sains pada tahun 1998 yaitu Walter Kohn dengan teori fungsional kerapatan (Density Functional Theory, DFT) dan John A. Pople yang telah berjasa dalam mengembangkan metoda komputasi dalam kimia kuantum. Mereka telah memberi peluang para kimiawan mempelajari sifat molekul dan interaksi antar molekul. John Pople telah mengembangkan kimia kuantum sebagai suatu metoda yang dapat digunakan oleh hampir semua bidang kimia dan membawa kimia ke dalam era baru yaitu eksperimen dan teori dapat bekerja bersama dalam mengekplorasi sifat sistem molekular. Salah satu produk program komputasi kimia yang dihasilkan oleh Pople adalah GAUSSIAN (Pranowo, 2009).

Metode kimia komputasi dapat dibedakan menjadi 2 bagian besar yaitu mekanika molekuler dan metode struktur elektronik yang terdiri metode semiempiris, metode ab initio dan metode yang sekarang berkembang pesat yaitu teori kerapatn fungsional (density functional theory, DFT).

Banyak aspek dinamik dan struktur molekul dapat dimodelkan menggunakan metode klasik dalam bentuk dinamik dan mekanika molekul. Medan gaya (force field) klasik didasarkan pada hasil empiris yang merupakan nilai rata-rata dari sejumlah besar data parameter molekul. Karena melibatkan data dalam jumlah besar hasilnya baik untuk sistem standar, namun demikian banyak pertanyaan penting dalam kimia yang tidak dapat semuanya terjawab dengan pendekatan empiris. Jika ada keinginan untuk mengetahui lebih jauh tentang struktur atau sifat lain yang bergantung pada distribusi kepadatan elektron, maka penyelesaiannya harus didasarkan pada pendekatan yang lebih teliti dan bersifat umum yaitu kimia kuantum. Pendekatan ini juga dapat menyelesaikan permasalahan non-standar, yang pada umumnya metode mekanika molekuler tidak dapat diaplikasikan.

Reference : Pengantar Kimia Komputasi Oleh Dr. Harno Dwi Pranowo