Ab initio
Istilah “Ab initio” adalah bahasa latin
untuk “dari awal”. Nama ini diberikan kepada perhitungan yang berasal
langsung dari prinsip-prinsip teoritis, tanpa masuknya data eksperimen.
Sebagian besar saat ini adalah mengacu ke perhitungan perkiraan kuantum
mekanik. Perkiraan yang dibuat biasanya perkiraan matematika, seperti
menggunakan bentuk fungsional sederhana untuk fungsi atau mendapatkan
solusi perkiraan untuk sebuah persamaan diferensial.
Jenis yang paling umum perhitungan ab
initio ini disebut perhitungan Hartree Fock (disingkat HF), di mana
pendekatan utama disebut pendekatan lapangan pusat. Ini berarti bahwa
tolakan Coulomb elektron-elektron tidak secara khusus diperhitungkan.
Namun, itu efek bersih adalah termasuk dalam perhitungan. Ini adalah
variasi perhitungan, yang berarti bahwa energi perkiraan dihitung semua
sama atau lebih besar daripada energi yang tepat. Energi dihitung
biasanya dalam satuan yang disebut Hartrees (1 H = 27,2114 eV). Karena
pendekatan lapangan pusat, energi dari perhitungan HF selalu lebih besar
daripada energi yang tepat dan cenderung ke nilai membatasi disebut
batas Hartree Fock.
Pendekatan kedua dalam perhitungan HF
adalah bahwa fungsi gelombang harus dijelaskan oleh beberapa bentuk
fungsional, yang hanya diketahui secara tepat untuk satu beberapa sistem
elektron. Fungsi yang paling sering digunakan adalah kombinasi linier
dari orbital tipe Slater exp (-ax) atau jenis orbital Gaussian exp (-ax ^
2), disingkat STO dan GTO. Fungsi gelombang terbentuk dari kombinasi
linier dari orbital atom atau lebih sering dari kombinasi linear dari
fungsi dasar. Karena pendekatan ini, perhitungan HF paling memberikan
energi dihitung lebih besar dari batas Fock Hartree. Himpunan tepat
fungsi dasar yang digunakan sering ditentukan oleh singkatan, seperti
STO-3G atau 6-311 g + + **.
Sejumlah jenis perhitungan dimulai dengan
perhitungan HF kemudian benar untuk tolakan elektron-elektron
eksplisit, disebut sebagai korelasi. Beberapa metode ini Mohlar-Plesset
teori perturbasi (MPN, dimana n adalah urutan koreksi), yang Generalized
Valence Bond (GVB) metode, Multi-Konfigurasi Self Konsisten Lapangan
(MCSCF), Interaksi konfigurasi (CI) dan teori Cluster Ditambah (CC).
Sebagai kelompok, metode ini disebut sebagai perhitungan berkorelasi.
Sebuah metode, yang menghindari membuat
kesalahan HF di tempat pertama disebut Quantum Monte Carlo (QMC). Ada
beberapa rasa QMC .. variasional, difusi dan fungsi Green. Metode-metode
ini bekerja dengan fungsi gelombang dan mengevaluasi secara eksplisit
berkorelasi integral numerik menggunakan integrasi Monte Carlo.
Perhitungan ini bisa sangat memakan waktu, tetapi mereka mungkin metode
yang paling akurat dikenal saat ini.
Metode ab initio adalah alternatif teori
kerapatan fungsional (DFT), di mana total energi dinyatakan dalam total
kepadatan elektron, bukan fungsi gelombang. Dalam jenis ini perhitungan,
ada Hamilton dan perkiraan ekspresi perkiraan untuk kepadatan total
elektron.
Sisi baik metode ab initio adalah bahwa mereka akhirnya
bertemu dengan solusi yang tepat, setelah semua perkiraan yang dibuat
cukup kecil di besarnya. Namun, konvergensi ini tidak montonic.
Kadang-kadang, perhitungan terkecil memberikan hasil yang terbaik untuk
properti tertentu.
Sisi buruk dari metode ab initio adalah
bahwa mereka mahal. Metode ini sering mengambil sejumlah besar waktu
komputer cpu, memori dan ruang disk. Metode skala HF sebagai N 4,
dimana N merupakan jumlah fungsi dasar, sehingga perhitungan dua kali
lebih besar membutuhkan 16 kali lebih lama untuk menyelesaikan.
perhitungan Korelasi sering skala jauh lebih buruk dari ini. Dalam
prakteknya, solusi sangat akurat hanya dapat diperoleh ketika molekul
berisi setengah lusin elektron atau kurang.
Secara umum, perhitungan ab initio
kualitatif memberikan hasil yang sangat baik dan dapat memberikan hasil
kuantitatif semakin akurat sebagai molekul yang dimaksud menjadi lebih
kecil.
Semiempirical
Semiempirical perhitungan ditetapkan
dengan struktur umum yang sama sebagai perhitungan HF. Dalam kerangka
ini, potongan informasi tertentu, seperti dua integral elektron, yang
didekati atau sama sekali dihilangkan. Dalam rangka untuk mengoreksi
kesalahan diperkenalkan dengan menghilangkan bagian dari perhitungan,
metode ini parameter, dengan melakukan suaian kurva dalam beberapa
parameter atau nomor, untuk memberikan kesepakatan yang terbaik dengan
data eksperimen.
Sisi baik dari perhitungan semiempirical adalah bahwa mereka jauh lebih cepat daripada perhitungan ab initio.
Sisi buruk dari perhitungan semiempirical
adalah bahwa hasilnya bisa tidak menentu. Jika molekul yang sedang
dihitung mirip dengan molekul dalam basis data yang digunakan untuk
parameterisasi metode, maka hasilnya mungkin akan sangat baik. Jika
molekul yang dihitung secara signifikan berbeda dari apa pun di set
parameterisasi, jawaban mungkin sangat miskin.
perhitungan Semiempirical telah sangat
sukses dalam deskripsi kimia organik, di mana hanya ada beberapa elemen
digunakan secara luas dan molekul yang ukuran sedang. Namun, metode
semiempirical telah dirancang khusus untuk deskripsi kimia anorganik
juga.
Pemodelan solid state
Struktur elektronik dari kristal tak
terbatas didefinisikan oleh struktur plot band, yang memberikan energi
orbital elektron untuk setiap titik di k-ruang, yang disebut zona
Brillouin. Sejak ab initio dan perhitungan semiempirical hasil energi
orbital, mereka dapat diterapkan untuk band perhitungan struktur. Namun,
jika memakan waktu untuk menghitung energi untuk molekul, itu bahkan
lebih memakan waktu untuk menghitung energi untuk daftar poin di zona
Brillouin.
perhitungan struktur Band telah dilakukan
untuk sistem yang sangat rumit, namun perangkat lunak belum cukup
otomatis atau cukup cepat sehingga siapa pun tidak struktur band santai.
Jika Anda ingin melakukan perhitungan struktur band, Anda sebaiknya
berharap untuk menempatkan banyak waktu dalam usaha Anda.
Mekanika molekul
Jika molekul terlalu besar untuk secara
efektif menggunakan pengobatan semiempirical, masih mungkin untuk model
perilaku itu dengan menghindari mekanika kuantum benar-benar. Metode
disebut sebagai mekanika molekul membentuk ekspresi aljabar sederhana
untuk energi total senyawa, tanpa keharusan untuk menghitung fungsi
gelombang atau kepadatan total elektron. Ekspresi energi terdiri dari
persamaan klasik sederhana, seperti persamaan osilator harmonik dalam
rangka untuk menggambarkan energi yang berkaitan dengan ikatan
peregangan, membungkuk, rotasi dan gaya antarmolekul, seperti interaksi
van der Waals dan ikatan hidrogen. Semua konstanta dalam persamaan ini
harus diperoleh dari data percobaan atau perhitungan ab initio.
Dalam metode mekanika molekul, basis data
senyawa yang digunakan untuk parameterisasi metode (satu set parameter
dan fungsi yang disebut medan gaya) sangat penting untuk keberhasilan
itu. Dimana sebagai metode semiempirical mungkin parameter terhadap satu
set molekul organik, sebuah metode mekanika molekul mungkin parameter
terhadap kelas khusus molekul, seperti protein. Medan gaya seperti ini
hanya akan diharapkan memiliki relevansi untuk menjelaskan protein lain.
Sisi baik dari mekanika molekuler adalah
bahwa hal itu memungkinkan pemodelan molekul besar, seperti protein dan
segmen dari DNA, sehingga alat utama ahli biokimia komputasi.
Sisi buruk dari mekanika molekul adalah
bahwa ada banyak sifat-sifat kimia yang bahkan tidak didefinisikan dalam
metode ini, seperti keadaan tereksitasi elektronik. Dalam rangka untuk
bekerja dengan sistem yang sangat besar dan rumit, sering molekul
mekanik paket perangkat lunak yang paling kuat dan paling mudah untuk
menggunakan antarmuka grafis. Karena itu, mekanik kadang-kadang
digunakan karena mudah, tetapi belum tentu cara yang baik untuk
menjelaskan sistem.
Dinamika molekul
dinamika molekul terdiri dari memeriksa
perilaku tergantung waktu dari molekul, seperti gerak getaran atau gerak
Brown. Hal ini paling sering dilakukan dalam sebuah tulisan mekanik
klasik mirip dengan perhitungan mekanika molekul.
Penerapan dinamika molekuler untuk
pelarut / sistem terlarut memungkinkan perhitungan properti seperti
koefisien difusi atau fungsi distribusi radial untuk digunakan dalam
perawatan mekanik statistik. Biasanya skema perhitungan pelarut / zat
terlarut adalah bahwa jumlah molekul (mungkin 1000) diberikan beberapa
posisi awal dan kecepatan. posisi baru menghitung waktu kecil kemudian
berdasarkan gerakan ini dan proses ini itterated untuk ribuan langkah
untuk membawa sistem untuk keseimbangan dan memberikan gambaran
statistik yang baik dari fungsi distribusi radial.
Dalam rangka untuk menganalisa getaran
molekul tunggal, banyak dinamika langkah-langkah yang dilakukan, maka
data tersebut Fourier berubah menjadi domain frekuensi. Sebuah puncak
yang diberikan dapat dipilih dan diubah kembali ke domain waktu, untuk
melihat apa gerakan pada frekuensi yang terlihat seperti.
Statistik Mekanika
Mekanika statistika adalah matematika
berarti mengekstrapolasi sifat termodinamika bahan curah dari deskripsi
molekul material. Banyak mekanika statistik masih pada tahap kertas dan
pensil teori, karena mekanika kuantum tidak dapat menyelesaikan
persamaan Schrödinger tepat lagi, mekanika statistik tidak benar-benar
memiliki bahkan titik awal yang baik untuk perlakuan yang benar-benar
ketat. Mekanika statistika perhitungan sering ditempelkan ke akhir
perhitungan inito ab untuk properti fasa gas. Untuk properti fasa
terkondensasi, sering molekul dinamika perhitungan diperlukan dalam
rangka untuk melakukan percobaan komputasi.
Termodinamika
Termodinamika adalah salah satu deskripsi
paling baik dikembangkan kimia matematika. Sangat sering setiap
pengobatan termodinamika yang tersisa untuk pena dan kertas kerja sepele
karena banyak aspek kimia begitu akurat digambarkan dengan ekspresi
matematika yang sangat sederhana.
Struktur-Properti Hubungan
Struktur-properti hubungan yang
kualitatif atau kuantitatif didefinisikan secara empiris hubungan antara
struktur molekul dan sifat diamati. Dalam beberapa kasus ini mungkin
tampak duplikat hasil mekanik statistik, namun sistem struktur-properti
hubungan tidak perlu didasarkan pada prinsip-prinsip teoritis ketat.
Kasus yang paling sederhana hubungan
struktur-properti aturan jempol kualitatif. Misalnya, kimia polimer yang
berpengalaman mungkin dapat memprediksi apakah polimer akan halus atau
rapuh berdasarkan geometri dan ikatan monomer.
Ketika struktur-properti hubungan yang
disebutkan dalam literatur saat ini, biasanya menyiratkan hubungan
matematis kuantitatif. Hubungan ini paling sering diperoleh dengan
menggunakan software curve fitting untuk menemukan kombinasi linear dari
sifat molekul, yang paling mereproduksi properti yang diinginkan.
Sifat-sifat molekul biasanya diperoleh dari perhitungan pemodelan
molekul. deskriptor molekul lain seperti berat molekul atau deskripsi
topologi juga digunakan.
Ketika properti yang dijelaskan adalah
properti fisik, seperti titik didih, ini disebut sebagai Kuantitatif
Struktur-Properti Relationship (QSPR). Ketika properti yang dijelaskan
adalah jenis aktivitas biologis (seperti aktivitas obat), ini disebut
sebagai Kuantitatif Struktur-Aktivitas Relationship (HKSA).
Perhitungan Simbolik
perhitungan simbolik dilakukan bila
sistem yang terlalu besar untuk sebuah deskripsi atom-by-atom masih
layak pada setiap tingkat pendekatan. Sebuah contoh mungkin gambaran
membran dengan menjelaskan lipid individu sebagai perwakilan beberapa
poligon dengan beberapa ekspresi untuk energi interaksi. Pengobatan
semacam ini digunakan untuk biokimia komputasi dan bahkan mikrobiologi.
Kecerdasan Buatan
Teknik diciptakan oleh ilmuwan komputer
tertarik dalam kecerdasan buatan telah diterapkan sebagian besar berupa
rancangan obat dalam beberapa tahun terakhir. Metode ini juga pergi
dengan nama De Novo atau desain obat rasional.
Skenario umum adalah bahwa beberapa situs fungsional telah
diidentifikasi dan diinginkan untuk datang dengan struktur molekul yang
akan berinteraksi dengan situs bahwa untuk menghalangi fungsi itu.
Daripada memiliki seorang ahli kimia mencoba ratusan atau ribuan
kemungkinan dengan program mekanika molekul, mekanika molekul dibangun
ke dalam program kecerdasan buatan, yang mencoba jumlah besar “masuk
akal” kemungkinan dalam fasion otomatis. Jumlah teknik untuk
menggambarkan “cerdas” bagian dari operasi ini begitu beragam yang tidak
mungkin untuk membuat generalisasi tentang bagaimana hal ini
diimplementasikan dalam program.
Bagaimana melakukan proyek riset komputasi
Bila menggunakan kimia komputasi untuk
menjawab pertanyaan kimia, masalah jelas adalah bahwa Anda perlu tahu
bagaimana menggunakan perangkat lunak. Permasalahan yang terjawab adalah
bahwa Anda perlu untuk mengetahui seberapa baik jawabannya akan
menjadi. Berikut adalah daftar periksa untuk diikuti.
Apa yang Anda ingin tahu? Seberapa akurat? Mengapa? Jika Anda tidak dapat menjawab pertanyaan-pertanyaan, maka Anda bahkan tidak memiliki proyek penelitian belum.
Seberapa akurat Anda memprediksi jawabannya akan?
Dalam kimia analitik, Anda melakukan sejumlah pengukuran identik
kemudian bekerja keluar kesalahan dari deviasi standar. Dengan percobaan
komputasi, melakukan hal yang sama harus selalu memberikan hasil yang
sama persis. Cara yang Anda memperkirakan kesalahan Anda adalah untuk
membandingkan sejumlah perhitungan mirip dengan jawaban eksperimental.
Ada artikel dan kompilasi dari studi ini. Jika tidak ada, Anda akan
perlu menebak metode mana yang harus masuk akal, didasarkan pada asumsi
itu kemudian melakukan penelitian sendiri, sebelum Anda dapat
menerapkannya pada Anda tidak diketahui dan punya ide seberapa bagus
perhitungannya. Ketika seseorang hanya memberitahu Anda dari atas kepala
mereka metode apa yang digunakan, mereka juga memiliki jumlah wajar
dari jenis informasi hafal, atau mereka tidak tahu apa yang mereka
bicarakan. Waspadalah terhadap seseorang yang memberitahu Anda sebuah
program yang diberikan adalah baik hanya karena itu adalah satu-satunya
mereka tahu bagaimana menggunakan, bukan mendasarkan jawaban mereka pada
kualitas hasil.
Berapa lama Anda berharap untuk mengambil?
Jika dunia yang sempurna, Anda akan memberitahu PC Anda (suara masukan
tentu saja) untuk memberikan solusi yang tepat untuk persamaan
Schrödinger dan melanjutkan hidup Anda. Namun, sering kali perhitungan
ab initio akan memakan sehingga waktu yang dibutuhkan waktu satu dekade
untuk melakukan perhitungan tunggal, jika Anda bahkan memiliki mesin
dengan cukup memori dan ruang disk. Namun, sejumlah metode yang ada
karena setiap yang terbaik untuk situasi tertentu. Caranya adalah dengan
menentukan mana yang terbaik untuk proyek Anda. Sekali lagi, jawabannya
adalah untuk melihat ke dalam literatur dan melihat berapa lama
masing-masing diperlukan. Jika satu-satunya yang Anda tahu adalah
bagaimana skala perhitungan, melakukan perhitungan sederhana yang
mungkin kemudian gunakan persamaan skala untuk memperkirakan berapa lama
waktu yang diperlukan untuk melakukan semacam perhitungan bahwa Anda
telah diprediksi akan memberikan akurasi yang diinginkan.
Apa perkiraan sedang dilakukan? Yang signifikan?
Ini adalah bagaimana Anda menghindari tampak seperti orang bodoh yang
lengkap, ketika anda berhasil melakukan perhitungan yang sampah lengkap.
Sebuah contoh akan mencoba untuk mencari tahu tentang gerak getaran
yang sangat anharmonic, ketika perhitungan menggunakan pendekatan
osilator harmonik.
Setelah Anda akhirnya menjawab semua
pertanyaan ini, Anda siap untuk benar-benar melakukan perhitungan.
Sekarang Anda harus menentukan software apa yang tersedia, berapa
biayanya dan bagaimana menggunakannya. Perhatikan bahwa dua program dari
jenis yang sama (ab initio yaitu) dapat menghitung sifat-sifat yang
berbeda, sehingga Anda harus memastikan program ini tidak persis apa
yang Anda inginkan.
Ketika Anda sedang belajar bagaimana
menggunakan sebuah program, Anda dapat mencoba untuk melakukan puluhan
perhitungan yang akan gagal karena Anda dibangun masukan salah. Jangan
gunakan molekul proyek Anda untuk melakukan hal ini. Membuat semua
kesalahan Anda dengan sesuatu yang sangat mudah, seperti molekul air.
Dengan begitu Anda tidak membuang sejumlah besar waktu.
Visualisasi
visualisasi data adalah proses
menampilkan informasi dalam jenis representasi piktorial atau grafis.
Sejumlah program komputer yang sekarang tersedia untuk menerapkan skema
pewarnaan data atau bekerja dengan tiga dimensi representasi.
Informasi lebih lanjut
Untuk gambaran tingkat pengantar kimia komputasi lihat
GH Grant, WG Richards “Komputasi Kimia” Oxford (1995)
Penjelasan lebih rinci tentang teknik kimia komputasi umum yang terkandung dalam
AR Leach “Prinsip Pemodelan Molekul dan Aplikasi” Addison Wesley Longman (1996)
F. Jensen “Pengantar Komputasi Kimia” John Wiley & Sons (1999)
Ada banyak buku pada prinsip-prinsip
mekanika kuantum dan setiap teks kimia fisik memiliki pengobatan
pengantar. Pekerjaan yang saya listing di sini adalah volume dua set
dengan masing-masing bab dipecah menjadi bagian dasar dan lanjutan
sehingga sangat baik untuk pengguna menengah dan lanjutan.
C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloe “Quantum Mechanics Volume I & II” Wiley-InterScience (1977)
Untuk suatu pendahuluan kimia kuantum melihat
DA McQuarrie “Quantum Kimia” Buku Science University (1983)
Sebuah tingkat pascasarjana teks pada kimia kuantum
DI Levine “Kimia kuantum” Prentice Hall (1991)
Seorang sarjana lulusan maju atau teks pada kimia kuantum
PW Atkins, RS Friedman “Mekanika Quantum Molecular” Oxford (1997)
Untuk metode Monte Carlo kuantum, urutan
buku berikut ini dengan menggunakan ISBN 981-02-0322-5 karena judul
terdaftar salah ‘Buku di Print di.
BL Hammond, WA Lester, Jr, Reynolds PJ “Monte Carlo Metode dalam Ab initio Quantum Chemistry” Dunia Ilmiah (1994)
Sebuah artikel review yang baik tentang teori kerapatan fungsional
T. Ziegler Chem. Wahyu 91, 651-667 (1991)
Untuk teori kerapatan fungsional lihat
RG Parr, W. Yang “Fungsi Kepadatan Teori Atom dan Molekul” Oxford (1989)
Untuk pemahaman dasar pemodelan solid state lihat
R. Hoffmann “Solids dan Permukaan: Chemist Lihat A Bonding di Struktur Extended”, VCH (1988)
Untuk penjelasan tingkat lulusan mekanika statistik lihat
DA McQuarrie “Mekanika statistik” Harper Collins (1976)
Teks kimia fisik akan mendapatkan sebuah gambaran termodinamika tapi saya akan merekomendasikan
DI Levine “Kimia Fisik” McGraw Hill (1995)
Lain pengenalan bagus untuk kimia komputasi
S. Profeta, Jr “Kirk-Othmer Ensiklopedia Tambahan Teknologi Kimia”, 315 John Wiley & Sons (1998).
Ada daftar komprehensif dari semua
modeling software yang tersedia molekul dan menggunakan data struktural,
bebas atau tidak, dalam lampiran 2 dari
“Tinjauan dalam Volume Kimia Komputasi 6″ Ed. KB Lipkowitz dan Boyd DB, VCH (1995)
Kutipan: Artikel ini awalnya diumumkan di web. Hal ini sekarang muncul di cetak di D. Young, Chem. Aust. 11, 5 (1998).
Versi yang diperluas dari artikel ini
akan diterbitkan di “Komputasi Kimia: Panduan Praktis untuk Menerapkan
Teknik ke Real Masalah Dunia” oleh David Young, yang akan tersedia dari
John Wiley & Sons pada musim semi 2001.
Sumber:
http://kasmui.blog.com/archives/981/
