Language
Country/Area
No result found
Keajaiban air: Bagaimana cara menyimulasikan misteri air dengan kimia komputasional?
Air, sebagai salah satu zat terpenting di bumi, memiliki sifat fisik dan kimia yang unik yang sangat penting bagi keberadaan kehidupan. Sejak munculnya kimia komputasional, para ilmuwan telah berupaya menggunakan model matematika untuk mensimulasikan perilaku air. Model-model ini tidak hanya memprediksi sifat fisik air, tetapi juga memberikan wawasan tentang bagaimana air bereaksi di berbagai lingkungan dan perannya dalam organisme hidup.
"Sifat-sifat air terkait erat dengan struktur molekulnya, yang dapat disimulasikan dan diprediksi menggunakan metode kimia komputasional."
Model air dalam kimia komputasional terutama digunakan untuk mensimulasikan agregat molekul air, air cair, dan larutan berair. Model-model ini didasarkan pada mekanika kuantum, mekanika molekuler, data eksperimen, atau kombinasi dari metode-metode ini. Untuk meniru sifat-sifat spesifik molekul air, para peneliti telah mengembangkan beberapa jenis model, yang secara umum dapat dikategorikan dalam tiga cara: (i) jumlah titik interaksi, yang disebut "situs", (ii) kaku atau fleksibel, dan (iii) apakah model tersebut mencakup efek polarisasi.
Dalam simulasi air, pendekatan umum adalah menggunakan model pelarut eksplisit, yaitu model yang didasarkan pada molekul-molekul tertentu. Sebagai alternatif dari model-model eksplisit ini, tersedia model pelarut implisit, yang menggunakan model kontinum untuk menangani perilaku air. Contoh dari area ini mencakup model pelarut COSMO atau model kontinum terpolarisasikan (PCM), atau bahkan beberapa model pelarut campuran.
Model air sederhana
Model kaku dianggap sebagai model paling sederhana untuk air dan bergantung pada interaksi yang tidak terikat. Dalam model-model ini, interaksi ikatan ditangani secara implisit melalui kendala global. Interaksi elektrostatik dimodelkan berdasarkan hukum Coulomb, sementara gaya tolak dan gaya dispersi dijelaskan menggunakan potensial Lennard-Jones. Model potensial ini, seperti TIP3P (Transferable Three-Point Molecular Potential) dan TIP4P, direpresentasikan sebagai:
E = ∑(kC * qi * qj / rij) + (A / rOO^12) - (B / rOO^6)
Di mana kC adalah konstanta elektrostatik, qi dan qj adalah muatan parsial relatif terhadap muatan elektron, dan rij adalah jarak antara dua atom. Dalam banyak model air, istilah Lennard-Jones hanya berlaku untuk interaksi antara atom oksigen. Parameter geometris berbagai model air, seperti jarak OH dan sudut HOH, bervariasi menurut model.
Model dua dan tiga dimensi
Model dua situs didasarkan pada model SPC tiga situs yang sudah dikenal dan mampu memprediksi sifat dielektrik air menggunakan teori fluida molekuler yang dinormalisasi ulang situs. Model tiga dimensi sesuai dengan tiga atom molekul air, dengan setiap situs memiliki muatan. Model tiga dimensi efisien secara komputasi dan digunakan secara luas di banyaksimulasi dinamika molekuler.“Model tiga dimensi yang umum digunakan, seperti TIP3P, bekerja dengan baik dalam menghitung kinerja panas spesifik.”
Misalnya, model SPC/E menambahkan koreksi polarisasi pada fungsi energi potensial, sehingga kepadatan air dan konstanta difusi yang dihasilkan lebih baik daripada model SPC. Model TIP3P banyak digunakan dalam medan gaya CHARMM, dan sedikit modifikasi dilakukan pada model asli agar lebih sesuai untuk simulasi molekul biologis.
Model Fleksibel vs. KakuModel air SPC fleksibel adalah model air tiga dimensi yang diparameterisasi ulang. Tidak seperti model SPC kaku, model fleksibel dapat menggambarkan kepadatan dan konstanta dielektrik air dengan benar dalam simulasi dinamika molekuler. Model ini diimplementasikan dalam beberapa program komputasi, seperti MDynaMix dan Abalone.
Model air tingkat tinggi
Model empat situs meningkatkan distribusi muatan molekul air dengan menambahkan atom tiruan di dekat atom oksigen dari model tiga situs. Model paling awal tersebut dapat ditelusuri kembali ke model Bernal–Fowler pada tahun 1933. Meskipun model tersebut penting secara historis, model tersebut tidak mereproduksi sifat-sifat utama air dengan baik.
Model TIP4P banyak digunakan dalam perangkat lunak kimia komputasional dan memainkan peran penting dalam simulasi sistem biomolekuler, sementara model air baru seperti model OPC dapat menggambarkan sifat listrik air dengan lebih akurat.
Pengembangan model lima dan enam posisi
Meskipun model lima bit memiliki biaya komputasi yang tinggi, model tersebut telah mengalami kemajuan secara bertahap dalam beberapa tahun terakhir dengan diperkenalkannya model TIP5P. Model lima bit mereproduksi geometri dimer air dengan lebih baik dan mampu menangkap data eksperimen secara akurat. Model enam-bit menggabungkan semua fitur model sebelumnya ke dalam data dan dirancang khusus untuk mempelajari sistem air dan es.
"Dalam kimia komputasional, simulasi air bukan hanya tantangan teknis, tetapi juga kunci untuk memahami cara kerja kehidupan."
Biaya komputasi dan prospek masa depan
Biaya komputasional model air meningkat seiring dengan jumlah lokasi. Untuk simulasi dinamika molekuler, seiring dengan bertambahnya jumlah lokasi, jumlah jarak antar atom yang perlu dihitung juga meningkat. Namun, pengembangan model ini bukan sekadar narasi matematis, tetapi mikrokosmos tentang bagaimana air sebenarnya berperilaku di alam. Seiring kemajuan teknologi, akankah kita dapat menemukan model yang mengungkap lebih banyak misteri air dalam waktu dekat?
