Kimika konputazional

Kimika konputazionala kimikaren adar bat da, problema kimikoak aztertzen eta ebazten laguntzeko konputazio-ereduak erabiltzen dituena teknika konputazionalak eta sistema molekularren simulazioak aplikatuz. Kimika teorikoaren kontzeptu, teoria eta ereduak erabiltzen ditu, fisika klasikoko, mekanika kuantiko eta estatistikoko materiaren tratamendu fisikoetan oinarrituta, software zientifikoetan txertatuta eta molekulen eta agregatu molekularren  —gas egoeran eta disoluzioan eta gorputz solidoen— egitura eta/edo propietate estatiko eta dinamikoak kalkulatzeko bereziki diseinatuta. Haien emaitzek esperimentu kimikoetan lor daitekeen informazioa osatzen duten arren, beste kasu batzuetan, orain arte ikusi ez diren fenomeno kimikoak iragar ditzakete jarduera esperimental berriaren diseinua bideratuz edo diseinu esperimentalaren arazoetan bestelako ezagutza enpirikorik eza ordezkatuz. non kostu ekonomiko altua duen eta/edo esperimentu enpirikoa ezinezkoa den gaur egungo terminoetan. Kimika konputazionala oso erabilia izan da hainbat hamarkadatan sendagai eta material berrien diseinuan.

Arlo horretan aztertutako propietate molekularren adibideak maila atomikoko egitura molekularra (hau da, molekulen atomo osagaiek espazioan duten posizioa, haien arkitektura molekularra definitzen dutenak) eta elektronikoa (hau da,  forma molekularraren definizioa osatzen duen molekulan karga elektronikoaren banaketa), energia absolutua eta erlatiboa (aztertzen ari den sistema molekularraren egonkortasunarekin lotutakoa), propietate elektrikoak, hala nola dipolo elektrikoa eta goi mailako memento multipolarrak, molekulen espektro infragorria eta beste magnitude espektral batzuk eta beste partikula batzuekin talka egiteko sekzio eraginkorrak aztertzeko aukera ematen duten bibrazio-maiztasunak. Gainera, aitorpen molekularra zehazten duten molekulen interakzio-ahalmena aurreikusteko aukera dago (metodo klasikoekin edo mekanika molekularrekin, MM, eta kimika kuantiko metodoarekin, QMrekin deskribatu daiteke), haien erreaktibotasun kimiko orokorra eta espezifikoa aurreikustea egitura elektronikotik eratorritako adierazle ezberdinetan oinarrituta (horrek QM edo QM/MM kimika kuantikoko metodo mistoak behar ditu) eta erreakzio-mekanismoak ere aztertzea.

Erabilitako metodoek egoera estatiko eta dinamikoak hartzen dituzte. Kasu guztietan, kalkulu-denbora barne hartzen duten kalkulu-eskakizunak (azterketaren kostu konputazionala) lotuta daude (aztertutako sistemaren tamaina hazi ahala eta/edo eredu eta metodo sofistikatuagoak erabiltzen diren heinean azkar handitzen dena, sistema zehatzago deskribatzea ahalbidetzen dutenak —beti beharrezkoa ez dena—, aztertu nahi diren propietateen arabera) eta informazioa biltegiratzeko ahalmena erabilitako hardwarean. Aztergai dugun sistema  izan daiteke molekula isolatu bakar bat —edo hauetako multzo bat agregazio-egoera desberdinetan— edo gorputz solido bat. Oro har, aztergai dugun sistemaren tamainaren eta bertan lor daitekeen zehaztasun mailaren artean, tentsioa dago. Kimika konputazionalaren metodo guztiek nolabaiteko hurbilketa-maila suposatzen dute beren formulazioan, eta, beraz, sistema bat eta bere propietate espezifikoak aztertzeko metodo egoki bat hautatzeko orduan, ezagutu beharreko indarguneak eta ahuleziak dakartza. Egitura aztertzeko erabiltzen diren metodoak, lehen zati handi batean, sailka daitezke metodo klasikoetan edo mekanika molekularrean (MM) eta metodo kuantikoan (QM). Lehenengoak xehetasun atomikora soilik iristen diren bitartean, bigarrenak xehetasun maila elektronikora iristen dira. Metodo kuantikoen barruan, ab initio (lehen printzipioetara) izeneko metodoak  eta metodo erdi-enpirikoak bereiz ditzakegu, hurbilketa eta parametro kopuru handiagoa sartzen dutenak (informazio enpirikotik edo goi mailako kalkuluetatik erator daitezkeenak) bere formulazioan.

Historia 
Mekanika kuantikoaren historiako aurkikuntzetan eta teorian oinarrituta, kimikako lehen kalkulu teorikoak Walter Heitler eta Fritz Londonek egin zituzten, 1927an. Kimika kuantiko konputazionalaren hasieran eragina izan zuten liburuen artean, honako hauek daude: Introduction to Quantum Mechanics - with Applications to Chemistry by Linus Pauling eta E. Bright Wilson, 1935 ; Henry Eyring, John Walter eta George Kimball -en Kimika Kuantikoa, 1944 ; Walter Heitler -en Elementary Wave Mechanics – with Applications to Quantum Chemistry, 1945, eta, geroago, Charles Coulsonen Valence, biak ala biak kimikarientzako erreferentzia nagusi gisa balio izan zuten hurrengo hamarkadetan.

Teknologia konputazional eraginkorren garapenarekin, 40ko hamarkadan, sistema atomiko konplexuetarako uhin-ekuazio landuen soluzioak helburu bideragarria izaten hasten dira. 1950eko hamarkadaren hasieran, lehenengo kalkulu orbital atomiko erdienpirikoak egin ziren. Kimikari teoriko ugari lehen ordenagailu digitalen erabiltzaile bihurtu ziren. Erresuma Batuko erabilera horren deskribapen oso zehatza Smith eta Sutcliffe-k eman izan dute. Molekula diatomikoei buruzko lehen ab initio kalkulua Hartree-Fock metodoa izan zen, 1956an MITen egin zena, Slater orbital motako oinarrizko funtzio multzo bat erabiliz. Molekula diatomikoetarako, 1960an, gutxieneko oinarri-multzo bat eta oinarri-multzo handienen lehen kalkuluak erabiliz azterketa sistematikoa argitaratu zituzten Ransil-ek eta Nesbet-ek, hurrenez hurren. Gaussiar funtzioak erabiliz egindako lehen kalkulu poliatomikoak 1950eko hamarkadaren amaieran egin ziren. Ezarpen-interakzioaren lehen kalkuluak Cambridgen egin zituzten EDSAC ordenagailuan, 1950eko hamarkadan, S. Francis Boys-ek eta bere lankideek, funtzio gaussiarrak erabiliz. 1971n, ab initio kalkuluen bibliografia argitaratu zenean, sartu ziren molekularik handienak naftalenoa eta azulenoa izan ziren. Ab initio teoriaren hasierako garapen askoren laburpenak Schaeferrek argitaratu ditu.

1964an, Hückel metodoaren kalkuluak, zeinak CLOA orbita molekularren elektroien energia zehazteko  hidrokarburo-sistema konjugatuetako elektroien metodo sinpleak diren eta sistema sinpleenetatik, hala nola butadieno edo bentzenotik  6tara fusionatutako 10 eraztuneko obalenoraino doazen, Berkeley eta Oxfordeko ordenagailuetan sortu ziren. Metodo enpiriko horiek, 1960ko hamarkadan, CNDO bezalako metodo erdienpirikoek ordezkatu zituzten.

1970eko hamarkadaren hasieran, ab initio programa konputazional eraginkorrak erabiltzen hasi ziren, hala nola ATMOL, Gaussian, IBMOL eta POLYAYTOM, orbita molekularren ab initio kalkuluak azkartzeko. Programa horietatik, gaur egun, gaussa baino ez da, masiboki zabaldua, erabiltzen, eta gaur egun erabiltzen direnen askotariko bat da. Aldi berean, mekanika molekularreko metodoak, esaterako, MM2, Norman Allinger-ek garatu zituen, batez ere.

«Kimika konputazionala» terminoa aipatu zen lehen aldietako bat Sidney Fernbach eta Abraham Haskell Taub-ek, 1970ean idatzitako Computers and Their Role in the Physical Sciences liburuan aurki daiteke, non diote: «Badirudi, beraz, kimika konputazionala, azkenean, gero eta errealitate handiagoa izan daitekeela». 70eko hamarkadan, sortzen ari zen kimika konputazionalaren diziplina berri baten parte gisa ikusten hasi ziren metodo desberdinak. Journal of Computational Chemistry aldizkariaren lehen argitalpena 1980an argitaratu zen.

Erreferentziak

Bibliografia
 Christopher J. Cramer. Essentials of Computational Chemistry. John Wiley & Sons, 2002.
 T. Clark. A Handbook of Computational Chemistry. Wiley, New York, 1985.
 R. Dronskowski. Computational Chemistry of Solid State Materials. Wiley-VCH, 2005.
 F. Jensen. Introduction to Computational Chemistry. John Wiley & Sons, 1999.
 D. Rogers. Computational Chemistry Using the PC, 3rd Edition. John Wiley & Sons, 2003.
 A. Szabo y N.S. Ostlund. Modern Quantum Chemistry. McGraw-Hill, 1982.
 D. Young. Computational Chemistry: A Practical Guide for Applying Techniques to Real World Problems. John Wiley & Sons, 2001.
 David Young. Introduction to Computational Chemistry. Cytoclonal Pharmaceutics Inc.

Ikus, gainera
 Molekula
 Bioinformatika
 Kimika kuantikoa

Kanpo estekak
 Alternatura - IT, Computing and Sciences Creative Technology - Propietate optiko ez-linealen azterketa, molekulen kimika kuantikoaren metodo konputazionalak aplikatuz.
 NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark DataBase - Ehunka sistemaren milaka emaitza konputazional eta esperimentalez osatutako datu-base bat dauka.
 Computational Chemistry Wiki - Emaitza Kimiko konputazionalak. Wikia

Kimika konputazionala