MAKALAH KOMPUTASI KIMIA
“KONSEP DAN PENERAPAN KOMPUTASI DALAM BIDANG
ILMU KIMIA”
OLEH KELOMPOK 2
NOVA FEBRIANTI F1C114003
ROMEIDA BERLIAN PUTRI SINAGA F1C114013
LILI KADARIAH F1C114021
NIKE DESVI YULIANTI F1C114037
DEFIA INDAH PERMATASARI F1C114045
ABDI WAHYUDI F1C114051
REZKY AULIA FIRMANDIA PUTRA F1C114057
RENI ANGGRAINI F1C114071
DOSEN PEMBIMBING: DIAH MASTUTIK, M.Si
PROGRAM STUDI KIMIA
JURUSAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN
ALAM
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS JAMBI
JAMBI
2016
i
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penyusun ucapkan kehadirat Allah SWT. Atas berkat dan rahmat-NYA penyusun dapat menyelesaikan pengerjaan makalah yang berjudul “Prinsip dan Penerapan Komputasi dalam Bidang Ilmu Kimia” ini dengan sebaik-baiknya yang mampu penyusun lakukan.
Ucapan terima kasih penyusun sampaikan kepada Ibu Diah Masutik, M.Si selaku dosen pengampu mata kuliah Kimia Komputasi yang telah memberikan tugas untuk membuat makalah yang menjadi sarana pembelajaran mandiri oleh mahasiswa.
Penyusun sangat berharap dengan perantara makalah ini banyak pihak yang memperoleh ilmu-ilmu baru terkait Kimia Komputasi untuk menunjang proses pembelajaran di kampus maupun dalam pengerjaan tugas-tugas kuliah.
Walau bagaimanapun, penyusun menyadari makalah ini masih memiliki banyak celah kekurangan yang perlu perbaikan dan koreksi dari dosen pengampu dan teman-teman sekalian. Sebab itu, kritik dan saran sangat penyusun harapkan untuk perbaikan di kemudian hari.
Jambi, 06 Februari 2016
ii
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i DAFTAR ISI ... ii BAB I. PENDAHULUAN ... 1 1.1. Latar Belakang ... 1 1.2. Rumusan Masalah ... 2 1.3. Tujuan ... 2BAB II. LANDASAN TEORI ... 3
2.1. Pengertian Kimia Komputasi ... 3
2.2. Metode Kimia Komputasi ... 3
BAB III. ISI ... 5
3.1. Prinsip Dasar Kimia Komputasi ... 5
3.2. Penerapan Komputasi di Bidang Kimia dari Berbagai Ruang Lingkup... 5
3.3. Beberapa Program Kimia Komputasi ... 8
BAB IV. PENUTUP ... 10
4.1. Kesimpulan ... 10
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Menurut Tahir (2014), penggunaan komputer untuk membantu kebutuhan penyelesaian masalah dalam bidang kimia meliputi kajian-kajian secara molekuler yang kemudian dikaitkan pada sistem makroskopisnya. Kajian menerapkan berbagai konsep teori kimia fisik (khususnya kimia kuantum) dan ditunjang konsep lain (khemometri, informasi, dan lain-lain) yang diselesaikan dengan perhitungan yang terprogram di komputer.
Ilmu kimia ini lebih banyak dipelajari dengan menggunakan komputer daripada dengan dikerjakan di laboratorium. Komputer digunakan untuk perhitungan dan pemodelan untuk mengkaji aspek-aspek struktur, reaktivitas dan berbagai sifat molekul. Perkembangan ilmu kimia komputasi saat ini berkembang cukup pesat karena kemajuan teknologi komputer terutama didukung oleh aspek kecepatan serta desain dan struktur algoritma perhitungan kuantum yang semakin efisien. Hal tersebut dapat membantu dalam penerapan konsep kimia dengan lebih rasional dan juga membantu menerangkan konsep kimia yang masih baru dan masih belum dikenal saat ini.
Perkembangan kimia komputasi yang sangat pesat telah mengubah deskripsi suatu sistem kimia dengan memasukan unsur baru di antara eksperimen dan teori yaitu eksperimen komputer. Dalam eksperimen komputer, model masih tetap menggunakan hasil dari pakar kimia teoritis, tetapi perhitungan dilakukan dengan komputer berdasar atas suatu algoritma yang dituliskan dalam bahasa pemrograman. Keuntungan dari metode ini adalah:
a. Dimungkinkannya menghitung sifat molekul yang kompleks dan hasil perhitungannya berkorelasi secara signifikan dengan data eksperimen. b. Pemodelan relatif mudah dijalankan dibandingkan langkah eksperimen yang
relatif banyak kendala.
c. Pemodelan umumnya aman dibandingkan kerja eksperimen yang memiliki risiko bahaya.
2 d. Pemodelan dapat dikatakan berbiaya minimal dibandingkan kerja eksperimen
yang sangat mahal.
e. Pemodelan dapat diterapkan pada kebanyakan sistem kimia, sedangkan eksperimen relatif terbatas.
f. Pemodelan dapat menghasilkan informasi langsung dibandingkan pengamatan eksperimen yang sering memerlukan interpretasi yang tidak jelas.
g. Pemodelan dapat menghasilkan informasi mendasar tentang molekul yang terisolasi tanpa ada efek pelarut.
Perkembangan eksperimen komputer mengubah secara substansial hubungan tradisional antara teori dan eksperimen. Simulasi komputer membutuhkan suatu metode 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 mikroskopik, tetapi juga dapat mengkaji bagian yang tidak terjangkau secara eksperimen, seperti reaksi pada kondisi tekanan yang sangat tinggi atau reaksi yang melibatkan gas berbahaya.
1.2. Rumusan Masalah
1. Bagaimana prinsip dalam kimia komputasi?
2. Bagaimana penerapan komputasi dalam bidang ilmu kimia? 3. Apa saja program yang digunakan untuk melakukan komputasi?
1.3. Tujuan
1. Memahami prinsip-prinsip dalam kimia komputasi.
2. Memahami apa saja manfaat komputasi dalam bidang ilmu kimia. 3. Memberikan informasi mengenai beberapa program komputer yang
3
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Pengertian Kimia Komputasi
Kimia komputasi berkembang sangat pesat sebagai bagian dari kimia teori yang difokuskan pada penyelesaian masalah-masalah yang berkait dengan kimia dengan cara perhitungan. Bagi pemula, akan dihadapi tiga kesulitan yaitu:
1. Pemahaman terhadap bahasa/kode komputer yang biasanya melibatkan bermacam-macam akronim.
2. Masalah teknis perhitungan, misalnya bagaimana sebenarnya program berjalan dan apa arti hasil perhitungan yang dihasilkan oleh komputer. 3. Kualitas hasil, yang menyangkut seberapa baik data yang dihasilkan
dibandingkan dengan data eksperimen.
Perkembangan kimia komputasi yang sangat pesat dimulai pada tahun 1950-an telah mengubah deskripsi suatu sistem kimia deng1950-an memasuk1950-an unsur baru di antara 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" yang berupa algoritma yang dituliskan dalam bahasa pemrograman. Keuntungan dari metode ini adalah dimungkinkannya menghitung sifat molekul yang kompleks dan hasil perhitungannya berkorelasi secara signifikan dengan data eksperimen (Pranowo, 2007).
2.2. Metode Kimia Komputasi
Metode kimia komputasi secara garis besar dibedakan atas mekanika molekuler dan metode struktur elektronik. Mekanika molekuler didasarkan pada mekanika klasik dan dapat digunakan untuk menentukan sifat senyawa yang mempunyai massa molekul besar. Metode struktur elektronik dapat berupa ab-initio, semi empiris dan density functional theory, DFT (Pranowo, 2007).
Menurut Pranowo (2000), medan gaya (Force Field) klasik didasarkan pada hasil empiris yang merupakan nilai rata-rata dari sejumlah besar data parameter molekul. Namun demikian banyak pertanyaan penting dalam kimia yang tidak
4 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 yaitu kimia kuantum. Pendekatan ini juga dapat menyelesaikan senyawa-senyawa non-standar, yang pada umumnya metode mekanika molekul tidak dapat diaplikasikan.
A. Ab Initio
Istilah “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 diferensial.
B. Semi Empiris
Perhitungan semi empiris disusun dengan cara yang secara umum sama dengan perhitungan HF. Beberapa perhitungan, seperti integral elektron ganda diselesaikan dengan cara pendekatan atau sama sekali dihilangkan. Dalam rangka mengoreksi kesalahan perhitungan akibat penghilangan sebagian dari perhitungan HF, metode ini diparameterisasi dengan cara fitting kurva untuk menghasilkan beberapa parameter atau angka agar dapat memberikan kesesuaian dengan data eksperimen.
C. Mekanika Molekuler
Jika molekul sangat besar untuk dapat ditinjau dengan metode semi empiris, masih ada kemungkinan untuk memodelkan kelakuan mereka dengan mengabaikan mekanika kuantum secara penuh. Metode yang dikenal dengan mekanika molekuler menyediakan pernyataan aljabar yang sederhana untuk energi total senyawa, tanpa harus menghitung fungsi gelombang atau kerapatan elektron total. Pernyataan energi mengandung persamaan klasik sederhana, seperti persamaan osilator harmonis untuk menggambarkan energi yang tercakup pada terjadinya uluran, bengkokan dan torsi ikatan, gaya antar molekul, seperti interaksi Van der Waals
dan ikatan hidrogen. Semua tetapan dalam persamaan ini harus diperoleh dari data eksperimen atau perhitungan ab initio.
5
BAB III
ISI
3.1. Prinsip Dasar Kimia Komputasi
Perhitungan kimia komputasi menerapkan suatu model dari apa yang nyata di alam. Jadi peneliti itu hanya mempelajari model, bukan mempelajari alam nyata. Data eksperimen merupakan representasi alam sehingga harus diutamakan dan lebih dipercaya dari hasil model. Suatu model hanya dapat dianggap valid jika hasilnya menyerupai data eksperimen. Prediksi dengan kimia komputasi dimungkinkan jika metode kimia komputasi yang diterapkan sudah dapat terbukti menghasilkan model yang relatif akurat.
Dalam penggunaan secara umum biasanya berupa penerapan simulasi komputer atau berbagai bidang keilmuan tetap digunakan juga untuk menemukan prinsip-prinsip baru yang mendasar terhadap bidang ilmu yang mendasari teori ini. Komputasi modern menghitung dan mencari solusi dari masalah yang ada, yang menjadi perhitungan dari komputasi modern adalah akurasi (bit, floating poin), kecepatan (Hz), problem volume besar (down sizing/parallel), modeling (NN dan GA), kompleksitas (menggunakan teori big O).
Karakteristik komputasi modern ada 3 macam:
1. Komputer-komputer penyedia sumber daya bersifat heterogenous karena terdiri dari berbagai jenis perangkat keras, sistem operasi, serta aplikasi yang terpasang.
2. Komputer-komputer terhubung ke jaringan yang luas dengan kapasitas bandwidth yang beragam.
3. Komputer maupun jaringan tidak terdedikasi, bisa hidup atau mati sewaktu-waktu tanpa jadwal yang jelas.
3.2. Penerapan Komputasi di Bidang Kimia dari Berbagai Ruang Lingkup
A. Dinamika Molekuler
Penerapan dinamika molekuler pada sistem pelarut/zat terlarut memungkinkan dilakukannya perhitungan sifat sistem seperti koefisien difusi atau fungsi distribusi radial untuk digunakan dalam perhitungan mekanika statistik. Pada
6 umumnya skema perhitungan pelarut/zat terlarut dimulai dengan sistem yang terdiri dari sejumlah molekul dengan posisi dan kecepatan awal. Energi dari posisi yang baru dihitung relatif terhadap posisi sebelumnya untuk perubahan waktu yang kecil dan proses ini beriterasi selama ribuan langkah sedemikian hingga sistem mencapai keseimbangan. Sifat sistem seperti energi, fungsi distribusi radial dan konformasi molekul dalam sistem dapat dianalisis dengan cara pengambilan sampel dari sistem yang telah mencapai keseimbangan.
Metode ini memungkinkan penggambaran struktur, sifat termodinamika dan sifat dinamis dari sistem pada fase terkondensasi. Bagian pokok dari metodologi simulasi adalah tersedianya fungsi energi potensial yang akurat untuk memodelkan sifat dari sistem yang dikaji. Fungsi energi potensial dapat disusun melalui metode mekanika kuantum (Quantum Mechanics, QM) atau mekanika molekuler (Molecular Mechanics, MM). Metode QM/MM banyak digunakan dalam simulasi reaksi katalitik enzimatik, proses kimia dalam larutan dan docking suatu protein dalam reseptor.
B. Mekanika Statistika
Perhitungan mekanika statistika sering dilakukan pada akhir perhitungan ab initio terhadap sifat fase gas. Untuk sifat fase terkondensasi, sering perhitungan dinamika molekuler diperlukan dalam rangka melakukan eksperimen komputasi.
Salah satu metode mekanika statistika yang banyak digunakan dalam kimia komputasi adalah Monte Carlo. Dengan metode Monte Carlo, kita dapat mendapatkan gambaran tentang struktur dan energi dalam keseimbangan, tetapi tidak dapat memberikan gambaran dinamika atau sifat yang bergantung pada waktu.
C. Modeling Keadaan Padat
Perhitungan ab initio dan semi mpiris menghasilkan energi orbital, sehingga mereka dapat diterapkan pada perhitungan struktur pita. Jika perhitungan energi molekul memerlukan waktu yang lama, maka diperlukan waktu yang jauh lebih besar untuk menghitung energi setiap titik dalam daerah Bruillion.
Perhitungan struktur pita telah dilakukan untuk sistem yang sangat kompleks, namun demikian perangkat lunak belum cukup secara otomatis dan belum terlampau cepat untuk menyelesaikan kasus-kasus struktur pita.
7
D. Termodinamika
Termodinamika adalah satu dari sekian banyak penjelasan kimia matematis yang telah dibangun. Sering kali perlakuan termodinamika didapatkan dengan kerja kertas dan pensil karena banyak aspek kimia dapat dijelaskan secara akurat dengan pernyataan matematika yang sederhana. Perhitungan kimia komputasi akan dapat membantu penyelesaian penghitungan besaran termodinamika, terutama akan sangat berguna jika kita berhadapan dengan molekul-molekul yang besar.
E. Hubungan Struktur dan Sifat
Hubungan struktur dan sifat yang dikaji belakangan ini selalu merupakan hubungan matematika secara kuantitatif. Hubungan sering sekali diturunkan dengan menggunakan perangkat lunak fitting kurva untuk mendapatkan kombinasi linear sifat-sifat molekuler, yang dapat memprediksi sifat-sifat yang dimaksud. Sifat molekuler biasanya didapatkan dari perhitungan model molekuler. Penggambaran molekuler yang lain seperti massa molekul atau gambaran topologi, juga digunakan.
Jika sifat digambarkan sebagai sifat fisika, seperti titik didih, hal ini dikenal dengan hubungan Struktur dan Sifat secara Kuantitatif (Quantitative Structure-Property Relationship, QSPR). Jika sifat digambarkan sebagai aktivitas biologis – misalnya aktivitas obat- maka dikenal sebagai hubungan kuantitatif antara Struktur dan aktivitas (Quantitative Structure-Aktivity Relationship, QSAR).
F. Perhitungan Simbolik
Perhitungan simbolik dikerjakan jika sistem sangat besar untuk digambarkan sebagai atom per atom sesuai dengan tingkat pendekatan yang ditetapkan. Sebagai contoh adalah pemodelan membran sel dengan menggunakan struktur lemak secara individual sebagai pengganti poligon dengan beberapa persamaan matematis yang mewakili energi interaksinya. Perlakuan simbolik banyak digunakan pada komputasi bidang biokimia dan mikrobiologi.
G. Intelegensi Artifisial
Oleh ahli kimia dengan mencoba ratusan bahkan ribuan kemungkinan dengan program mekanika molekuler. Dalam metode ini hasil mekanika molekuler diintegrasikan ke dalam program intelegensi artifisial yang mencoba sejumlah kecil
8 kemungkinan yang beralasan secara otomatis. Sejumlah teknik untuk menggambarkan bagian “intelegen” dari operasi ini sangatlah luas dan tidak mungkin untuk membuat generalisasi bagaimana implementasi dari program ini.
3.3. Beberapa Program Kimia Komputasi
A. Modeling
Beberapa aplikasi dalam kimia komputasi adalah molekuler modeling. Beberapa penggunaannya meliputi: molecular graphics : menggambarkan molekul, memberi deskripsi atas karakteristiknya; molecular visualizations: visualisasi bentuk; computational chemistry: kimia komputasi; computational quantum chemistry: teori kimia kuantum; theoretical chemistry: aspek kimia teoritis.
Molekuler Modeling biasanya dimulai melalui tiga metode utama:
1. Bangunan menggunakan standard geometries - khususnya ikatan panjang dan sudut utama.
2. Membangun molekul menggunakan fragmen yang diketahui secara logis aspek geometrisnya - ini biasanya telah dikoreksi oleh beberapa metode "optimalisasi".
3. Membangun molekul Menggunakan data fisik yang diperoleh dari percobaan biasanya X-ray crystallography, netron diffraction, struktur disimpulkan dari data nuklir magnetic resonance (NMR).
B. Metode Dalam Kimia Komputasi
Istilah kimia komputasi selalu digunakan jika metode matematika disusun agar dapat dijalankan secara otomatis oleh komputer. Perlu dicatat bahwa kata “eksak” dan “sempurna” tidak muncul dalam definisi kimia komputasi. Sangat sedikit aspek kimia yang dapat diselesaikan secara eksak. Hampir setiap aspek kimia dijelaskan secara kualitatif atau kuantitatif. Terdapat tiga kategori metode dalam kimia komputasi ini : Metode Mekanika Kuantum Ab Initio, Mekanika Kuantum Semi empirik dan Mekanika Molekuler.
1. Metode Mekanika Kuantum Ab Initio
a. Tersedia pilihan beberapa himpunan basis di dalam program ini. Himpunan basis standar yang biasa digunakan antara lain STO-3G, 3-21G, 6-31G* dan 6-31G**.
9 b. Fungsi-fungsi basis ekstra (s, p, d, sp, spd) dapat ditambahkan ke
atom-atom individual atau ke sekelompok atom-atom.
c. Pengguna juga dapat mendefinisikan himpunan basisnya sendiri atau memodifikasi himpunan basis yang telah ada dengan menggunakan HyperChem's documented basis set file format.
2. Mekanika Kuantum Semiempirik
a. Hyperchem menawarkan sepuluh metode molekular orbital semi empirik, dengan pilihan untuk senyawa organik dan senyawa-senyawa gugus utama, untuk senyawa-senyawa transisi dan untuk simulasi spektra.
b. Metode yang tersedia adalah Extended Huckel (oleh Hoffmann), CNDO dan INDO (oleh Pople dkk), MINDO3, MNDO, MNDO/d dan AM1 (oleh Dewar dkk) PM3 (oleh Stewart), ZINDO/1 dan ZINDO/S (oleh Zerner dkk).
3. Mekanika Molekuler
HyperChem merupakan aplikasi yang dapat digunakan secara mudah dalam menghasilkan struktur molekul 3D, dengan pilihan 4 metode mekanika molekuler, teknik optimasi geometri untuk mendapatkan pencarian informasi dan menginvestigasi perubahan struktur. Empat metode medan gaya memudahkan untuk mengeksploitasi stabilitas dan dinamika sistem molekuler untuk senyawa yang mempunyai massa atom besar. Untuk keperluan umum digunakan MM+, sedangkan untuk biomolekul dapat digunakan salah satu dari tiga metode medan gaya: AMBER BIO+, dan OPLS.
Selain HyperChem, juga tersedia beberapa alternatif lainnya, yaitu Avogadro, Jmol, dan ChemDraw. Juga terdapat program komputer yang cukup handal dan dipercaya dalam mengolah data untuk keperluan penelian yaitu Gaussian.
10
BAB IV
PENUTUP
4.1. Kesimpulan
1. Prinsip kimia komputasi adalah penerapan suatu model dari apa yang nyata di alam. Jadi, peneliti hanya mempelajari model, bukan mempelajari alam nyata. Namun data pemodelan yang digunakan harus dapat dipercaya atau dengan kata lain pemodelan yang dilakukan haruslah memberikan hasil akurat (sesuai dengan kenyataan eksperimen).
2. Dalam penerapannya, kimia komputasi memiliki beberapa ruang lingkup pemodelan, yaitu sebagai berikut.
a. Dinamika molekuler. b. Mekanika statistika. c. Modeling keadaan padat. d. Termodinamika.
e. Hubungan struktur dan sifat. f. Perhitungan simbolik. g. Intelegensi artifisial.
3. Beberapa program komputer yang digunakan untuk kepentingan kimia komputasi adalah sebagai berikut.
a. Gaussian b. HyperChem c. Avogadro d. Jmol e. ChemDraw
11
DAFTAR PUSTAKA
Harno Dwi Pranowo. 2007. PEMODELAN SENYAWA ORGANIK; INTERAKSI Na+-BENZO-15-CROWN-5 BERDASAR METODE SEMI EMPIRIS AM-1
(Jurnal Penelitian). Yogyakarta: Universitas Gadjah Mada.
__________. 2007. PEMODELAN SENYAWA ORGANIK; INTERAKSI Na+ -BENZO-15-CROWN-5 BERDASAR METODE SEMI EMPIRIS MNDO/D
(Jurnal Penelitian). Yogyakarta: Universitas Gadjah Mada.
__________. 2000. PENGANTAR KIMIA KOMPUTASI. http://faijalchemistry.blogspot.com/2010/05/download.html?m=1, 06 Februari 2016.
Tahir, Iqmal. 2014. Pengantar Kimia Komputasi. https://iqmaltahir.wordpress.com/2-lecture/f-kimia-komputasi, 06 Februari 2016.
