Kimia Komputasi dalam Kalkulasi Sifat Termodinamika Molekul

Metode komputasi dalam bidang ilmu kimia saat ini banyak digunakan untuk memprediksi struktur dan reaktivitas suatu molekul, dengan meninjau berbagai sifat molekul seperti energi ikatan, vibrasi, mekanika kuantum dan lainnya. Kimia komputasi merupakan pengembangan dari pemodelan molekul (molecular modelling) yang diintegrasikan dengan perhitungan berdasarkan rumus-rumus fisika kuantum, seperti persamaan Schrodinger, menggunakan komputer dalam kalkulasinya.

Perkembangan Komputer

Metode komputasi tidak lepas dari perkembangan komputer sejak abad ke-19 hingga sekarang.Perkembangan dunia komputer dari waktu ke waktu semakin tak terbendung lagi, dan berikut adalah ulasannya (dikutip dari berbagai sumber):

Komputer Generasi pertama
 

Komputer generasi pertama adalah ENIAC, yang merupakan komputer elektronik pertama didunia yang mempunyai bobot seberat 30 ton, panjang 30 M dan tinggi 2.4 M dan membutuhkan daya listrik 174 kilowatts. Komputer generasi pertama ini menggunakan Tabung hampa udara (vacum-tube) yang terbuat dari kaca untuk penguat sinyal. Namun hal tersebut masih banyak mempunyai kendala seperti: mudah pecah, dan cepat menyalurkan panas.

Sejarah perkembangan konputer generasi pertama memiliki ciri-ciri sebagai berikut :

1. Pada generai ini komputer masih banyak mengeluarkan panas. 
2. Menggunakan komponen elektronikanya yang terbuat dari Tabung Hampa Udara (Vacuum Tube).
3. Program dibuat dalam bahasa mesin (Machine Language), yang programnya tersimpan dalam memori komputer. 
4. Utuk mengoprasikannya pun membutuhkan kekuatan listrik yang cukup besar.
5. Kapasitas yang disediakan untuk penyimpannan data sangat kecil dan terbatas.
6. Programnya masih menggunakan bahasa mesin dengan menggunakan kode 0 dan 1 dalam urutan tertentu.
7. Prosesnya relatif lambat.
8. Mempunyai Ukuran atau bentuk yang sangat besar sehingga diperlukan sebuah ruangan yang yang cukup lebar hanya untuk meletakan komputer ini.
9. Orientasi utama pada aplikasi bisnis.
10. Menggunakan sistem luar magnetic tape dan magnetic disk.

Komputer Generasi kedua

Sejarah perkembangan komputer generasi kedua lahir pada tahun 1960-an, penemuan transistor sanggat mempenggaruhi perkembangan komputer pada saat itu. Transistor dapatb menggantikan Tabung hampa udara. Dan hal tersebut tentunya megubah semua ukuran mesin-mesin elektrik . Transistor mulai digunakan pada komputer sekitar tahun 1956-an. Penemuan lain yang berupa pengembangan memori inti-magnetik membantu pengembangan komputer generasi kedua yang lebih kecil, lebih cepat, lebih dapat diandalkan, dan lebih hemat energi dibanding dengan komputer generasi pertama.
Perkembangan Komputer Generasi kedua ini memiliki ciri-ciri sebagai berikut :

• Program dapat dibuat dengan bahasa tingkat tinggi (high level language), seperti FORTRAN, COBOL, ALGOL.
• Kapasitas memori utama sudah lumayan besar
• Sirkutinya adalah transistor.
• Ukuran fisik komputer lebih kecil dari komputer generasi pertama
• Tidak membutuhkan terlalu banyak listrik
• berorientasi pada bisnis dan teknik 
• Proses operasi sudah cepat

Sejarah Perkembangan Komputer Generasi ketiga

Komputer generasi ketiga merupakan sebuah perkembangan yang sangat pesat dari perkembangan komputer yang ada. Komputer generasi ketiga muncul sejak era 1965-1971-an. Transistor yang dianggap tidak effisien lagi membuat para ilmuan mencari alternatif lain dan kemudian di temukan pada batu kuarsa (Quartz rock). Jack Kilby, seorang insinyur di Texas Instrument, mengembangkan sirkuit terintegrasi (IC : integrated circuit) di tahun 1958. Hal ini merupakan sebuah inovasi yang dapat mendongkrak munculnya komputer generasi ketiga.

Komputer Generasi keempat

Setelah IC ditemukan, perkembangan komputer semakin pesat dan jelas. Pada tahun 1971 chip INTEL 4004 membawa kemajuan besar dalam dunia IC, intel berhasil memasukan semua komponen dalam sebuah komputer (central processing unit, memori, dan kendali input/output) kedalam sebuah chip tunggal yang sangat kecil, jika sebelumnya IC digunakan untuk mengerjakan pekerjaan  tertentu saja maka pada masa ini mikroprosesor dapat diproduksi dan di program untuk menjalankan seluruh kebutuhan yang diinginkan.
Perkembangan Komputer generasi keempat memiliki ciri-ciri sebagai berikut :

• Dikembangkan komputer mikro yang menggunakan micro processor dan semiconductor yang berbentuk chip untuk memori komputer.
• Pada generasi ini komputer sudah memaki Large Scale Integration (LSI)

Komputer Generasi Kelima

Sejarah perkembangan komputer generasi kelima adalah komputer yang kita gunakan sekarang ini dimana pada generasi ini ditandai dengan munculnya: LSI (Large Scale Integration) yang merupakan pemadatan ribuan microprocessor ke dalam sebuah microprocesor. Selain itu, juga ditandai dengan munculnya microprocessor dan semi conductor. Perusahaan-perusahaan yang membuat micro-processor di antaranya adalah: Intel Corporation, Motorola, Zilog dan lainnya lagi. Di pasaran bisa kita lihat adanya microprocessor dari Intel dengan model 4004, 8088, 80286, 80386, 80486, dan Pentium. Pentium-4 merupakan produksi terbaru dari Intel Corporation yang diharapkan dapat menutupi segala kelemahan yang ada pada produk sebelumnya, di samping itu, kemampuan dan kecepatan yang dimiliki Pentium-4 juga bertambah menjadi 2 Ghz. Gambar-gambar yang ditampilkan menjadi lebih halus dan lebih tajam, di samping itu kecepatan memproses, mengirim ataupun menerima gambar juga menjadi semakin cepat.

Pemodelan Molekul

Pemodelan molekul (Molecular Modelling) merupakan suatu cara/teknik untuk mengambarkan atau menampilkan perilaku suatu sistem molekul yang mendekati aslinya (Da Silva, 2008). Contoh model molekul adalah pengambaran dua dimensi dengan struktur lewis, yang menggambarkan electron dengan titik dan ikatan dengan garis (Jensen, 1999), namun umumnya orang menghubungkan pemodelan molekul dengan deskripsi struktur kimia dalam bentuk dimensi. Ada yang mendefinisikan pemodelan molekuler merupakan deskripsi dan representasi molekul dalam bentuk tiga dimensi yang berkait dengan sifat fisikokimia (Leach, 1996).

Definisi lain menyatakan bahwa pemodelan molekuler merupakan segala hal yang dikerjakan dengan bantuan komputer untuk menampilkan, mengambarkan atau mengevaluasi sifat-sifat suatu molekul (Danielsson, 2004). Pemodelan molekuler dilakukan untuk memberikan gambaran tentang perilaku molekul, yang pada akhirnya digunakan untuk melakukan perhitungan-perhitungan fisika dan kimia dari molekul tersebut. Pemodelan molekuler akan memberikan kemudahan dalam memahami struktur molekul, sifat-sifat perilaku sistem molekul (Leach, 1996).


Pemodelan dengan komputer akan terasa lebih mudah karena parameter-parameter yang terdapat dalam suatu molekul dapat dibuat dengan bantuan komputer. Perhitungan numeris dapat dilakukan dengan cepat meskipun memerlukan banyak interaksi. pemodelan dengan menggunakan komputer merupakan pemodelan secara matematis dari molekul dan sifat-sifatnya, seperti posisi atom (koordinat kartesian dan koordinat internal), sifat-sifat electronic, maupun energi yang merupakan satu set dari persamaan-persamaan yang meliputi jarak atom, tipe atom dan ikatan antara atom (Spiegel, 2004) pendekatan seperti ini dikenal dengan pendekatan kimia komputasi.

Metode dalam Kimia Komputasi

Metode kimia komputasi dapat dibedakan menjadi dua bagian besar yaitu mekanika molekuler dan metode struktur elektronik yang terdiri dari ab initio dan semiempiris (Jensen, 1999). Metode komputasi yang lebih cepat, saat ini banyak digunakan yaitu Metode Teori Fungsional Kerapatan (DFT; Density Functional Theory).

Masing-masing metode ini memiliki kelebihan dan kekurangannya. Berikut merupakan penjelasan dari masing-masing metode di atas.

• Mekanika molekuler

Metode ini menggunakan mekanika klasik tradisional, umumnya Newtonian. Pada dasarnya, atom dianggap  menjadi bola yang tergandeng dengan  atom  lain oleh  pegas. Berbagai sifat molekul dapat dihitung dengan mengukur gerakan atom dan energi perubahan mata air. Metode mekanika molekul, metode ini menggunakan dasar hukum-hukum fisika klasik sebagai perhitungannya

• Metode semiempiris

Pada metode semi-empiris, sebagian dari perhitungan berasal dari data eksperimen, dan  sisanya berasal dari matematika. Keuntungan  utama dari metode semi-empiris adalah bahwa hal itu lebih cepat dan  mampu  melakukan perhitungan pada molekul yang lebih besar.

• Metode ab initio

Teori ab initio adalah sebuah konsep perhitungan yang bersifat umum dari penyelesaian persamaan Schrödinger yang secara praktis dapat diprediksi tentang keakuratan dan kesalahannya. Kelemahan metode ab initio adalah kebutuhan yang besar terhadap kemampuan dan kecepatan komputer. Selain itu, metode ini juga membutuhkan waktu perhitungan komputasinya lama dibandingkan dengan perhitungan yang menggunakan pendekatan mekanika molekul (Dani, 2011). 

• Teori kerapatan fungsional (density functional theory, DFT).

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. Sasaran utama dari teori fungsi kerapatan adalah menggantikan fungsi gelombang elektron banyak-partikel dengan kerapatan elektron sebagai besaran dasarnya

Banyak aspek dinamik dan struktur molekul dapat dimodelkan menggunakan metode klasik dalam bentuk dinamik dan mekanika molekul. Medan gaya (force field) klasik di dasarkan pada hasil semiempiris yang merupakan nilai rata-rata dari sejumlah besar data parameter molekul karena melibatkan data dalam jumlah besar (Leach, 1996).

DAFTAR PUSTAKA

1.
2.