Nanoscience

(Nanowerk News) Kalkulasi kimia kuantum telah digunakan untuk menyelesaikan misteri besar di angkasa. Tidak lama lagi perhitungan yang sama juga dapat digunakan untuk memproduksi obat kanker masa depan.

Beberapa tahun yang lalu para peneliti dari Universitas Olso di Norwegia menunjukkan bahwa ikatan kimia dalam medan magnet dari bintang berukuran kecil yang disebut white dwarf star, berbeda dengan apa yang ada dibumi. Kalkulasi mereka menunjukkan mekanisme ikatan yang benar-benar baru antara dua atom hidrogen. Berita tersebut menarik perhatian yang besar di media. Penemuan ini, yang dibuat sebelum para astrofisika melakukan pengamatan pertama molekul hidrogen pada white dwarf star, dibuat oleh Pusat Teoritikal dan Komputasi Kimia UiO. Mereka mendasarkan penelitian ini pada perhitungan kimia kuantum yang akurat dari apa yang terjadi ketida atom dan molekul berada pada kondisi yang ekstrim.

Tim peneliti ini dipimpin oleh professor Trygve Helgajer, yang selama tiga puluh tahun terakhir menjadi pioner internasional dalam mendesain sistem komputer untuk kalkulasi reaksi kimia secara kuantum pada molekul.

Kalkulasi kimia kuantum diperlukan untuk menjelaskan apa yang terjadi pada lintasan elektron pada molekul.

Pikirkan apa yang terjadi ketika rdiasi UV mengirimkan photon kaya energi pada sel tubuh anda. Ini meningkatkan level energi dari molekul. Hasilnya mungkin beberpa molekul akan pecah. Inilah yang terjadi saat anda berjemur.

“Energi yang berlebihan akan mempengaruhi kelakuan elektron dan dapat menghancurkan ikatan kimia di dalam molekul. Hal ini hanya dapat dijelaskan dengan kimia kuantum. Pemodelan kimia kuantum dibutuhkan untuk menggambarkan gaya dan tegangan yang ada diantara atom dan elektron dari sebuah molekul, dan apa yang dibutuhkan oleh molekul untuk terdisosiasi.” ucap Trygve Helgaker.

Dunia elektron yang absurd

Kalkulai kimia kuantum memecahkan persamaan Schrödinger untuk molkul. Persamaan ini merupakan persamaan fundamental untuk semua hal kimia dan mendeskripsikan keberadaan seluruh elektron dalam sebuah molekul. Tapi di sini kita perlu menaruh perhatian, dimana hal yang sebenarnya adalah jauh lebih rumit dari itu. Guru kimia SMA mungkin akan menunjukkan bahwa elektron itu mengelilingi atom. Sebenarnya tidak sesederhana itu, meski, dalam dunia kimia kuantum. Elektron tidak hanya sebuah patikel, tapi juga gelombang. Elektron dapat berada di beberapa tempat dalam satu waktu. Tidak mungkin untuk melacak posisi mereka. Namun masih aja harapan. Pemodelan kimia kuantum mendeskripsikan posisi statis elektron. Dengan kata lain dapat menentukan probabilitas lokasi tiap elektron.

Hasil dari kalkulasi kimia kuantum seringkali lebih akurat daripada apa yang didapat secara eksperimental.

Diantara semuanya, kalkulasi kimia kuantum dapat digunakan untuk memprediksi reaksi kimia. Ini berarti tidak lagi perlu untuk bergantung pada perkiraan di laboratorium. Juga dimungkinkan untuk menggunakan kalkulasi kimia kuantum untuk memahami apa yang terjadi dalam percobaan.

Perhitungan yang sangat besar

Perhitungan ini menuntut banyak hal.

“Persamaan Schrödinger sangat kompleks, Persamaan diferensiasi parsial, yang tidak dapat dipecahkan secara akurat. Sebagai gantinya, kami harus melakukannya dengan simulasi yang sangat berat,” kata peneliti Simen Kvaal.

Komputasinya sangat berat sehingga para peneliti meggunakan superkomputer tercepat yang dimiliki universitas.

“Kami terus melebarkan batasan dari apa yang mungkin. Kami terbatasu oleh ketersediaan kapasitas mesin yang digunakan.” tambah Helgaker.

Sepuluh tahun yang lalu butuh dua minggu untuk melakukan kalkulasi pada molekul dengan 140 atom. Saat ini dapat diselesaikan dalam  dua menit.

“Itu 200.000 kali lebih cepat dari sepuluh tahu yang lalu. Proses komputasi kini berjalan 200 kali lebih cepat karena komputer menjadi dua kali lebih cepat setiap delapan belas bulan. Dan perosesnya 100 kali lebih cepat karena perangkat lunak yang digunakan secara konstan ditingkatkan.”

Tahun ini kelompok peneliti ini telah menggunakan 40 juta CPU hour, dimana dua belas jutanya menggunakan superkomputer milik universitas yang menggunakan sepuluh ribu prosesor pararel. Ini memungkinkan sepuluh ribu CPU hour diselesaikan dalam 60 menit.

“Kami akan selalu mengisi kapasitas bebas komputer. Semakin tinggi kapasitas komputasi, semakin besar dan terpercaya kalulasinya.”

Terimakasih atas semakin cepatnya komputer, penelitian dengan molekul besar dapat dilakukan secara kimia kuantum.

Saat ini, kalkulasi kimia kuantum dari apa yang terjadi pada molekul dengan 400 atm merupakan hal rutin. Dengan menyederhanakan modelnya, dimungkinkan untuk menelity molekul dengan ribuan atom. Meskipun beberapa efek mungkin tidak dapat secara detai terdeskripsikan. Para peneliti kimi semakin dekat ke level dimana mereka bisa meneliti mekanisme kuantum dari sel hidup.

“Ini menarik. Molekul dari sel hidup mungkin mempunyai ratusan ribu atom, tapi tidak diharuskan untuk mendeskripsikan seluruh molekul dengan prinsip kuantum mekanik. Hasilnya, kita sudah pada  tahap dimana kita dapat membantu masalah biologis.

Berburu elektron pada molekul insulin

Peneliti juga bisa mengkombinasikan model terbaru dengan yang lebih sederhana. “Ini akan selalu tentang seberapa leve keakuratan dan detai yang anda perlukan. Pendekatan tambahan akan selalu menggunakan persamaan Schrödinger untuk semua hal.”

Mereka dapat memberikan deskripsi detail untuk setiap elektron pada beberapa bagian dari model, sedangkan untuk bagian lain mereka hanya melihat angka rata-rata.

“Kami selalu mempunyai keseimbangan yang baik antara detail yang kami buthkan dan yang tidak.”

Simen Reine telah menggunakan program komputer tim ketika bekerja dengan Aarhus University dalam penelitian molekul insulin. Sebuah molekul insulin terdiri dari 782 atom dan 3.500 elektron.

“Semua elektron saling tolak satu sama lain, pada saat yang sama ditarik menuju inti atom. Ini atom juga saling menolak satu sama lain. Namun, molekul tetap stabil. Untuk meneliti molekul dengan keakuratan tingi, kami juga perlu mempertimbangkan bagaimana semua elektron bergerak relatif teradap elektron lainnya. Kalkulasi seperti itu merupakan persamaan berkolerasi dan sangat terpercaya.

Semua persamaan berkolerasi dari molekul insulin membutuhkan hampir setengah juta CPU hour. Jika mereka diberi kesempatan untuk menjalankan program pada superkomputer universitas, kalkulasi secara teoritis membutuhkan waktu dua hari.

“Dalam sepuluh tahun, kita akan bisa membuat kalkulasi ini menjadi dua menit.”

Kepentingan Medis

Wakil rektor Universitas Oslo Knut Fægri menyebutkan bahwa kalkulasi kimia kuantum bisa jadi penting untuk sains kehidupan.

“Kalkulasi kuantum kimia dapat membantu menjelaskan fenomena dimana sulit dicapaisecara eksperimen, dan juga dapat memberikan bantuan untuk interpretasi dan perencanaan eksperimen. Saat ini kalkulasi akan digunakan sebaik-baiknya dalam biologi molekular dan biokimia.”

“Kimia kuantum merupakan teori fundamental yang penting untuk menjelaskan kejadian molekular, dimana hal ini sangat esensial untuk memahami sistem biologikal.” kata Michele Cascella.

Sebagai contoh dia menunjukkan analisis enzim. Enzim adalah katalis molekular yang mempercepat reaksi kimia dalam sel kita.

Cascella juga menyinggung tentang nanomedicine, yang mana merupakan obat yang terdistribusi dalam tubuh kita secara lebih akurat.

“Dalam nanomedicine kita perlu memahami fenomina fisika dalam skala nano, membuat gambar yang seakurat mungkin dari fenomena molekular ini. Dalam konteks ini, kalkulasi kimia kuantum sangatlah penting,” jelas Michele Cascella.

Protein dan Enzim

Professor K. Kristoffer Andersson di Jurusan Biosains menggunakan kalkulasi kimia kuantum yang lebih sederhana untuk meneliti detail dari struktur protein dan kimia atom dan fungsi elektron dari enzim.

“Pemahaman akan mekanisme rekasi kimia sangatlah penting, dan juga bagaimana enzim dan protein bekerja. Kalkulasi kuantum kimia akan mengajri lebih lanjut pada kita tentang bagaimana protein bekerja, langkah demi langkah. Kita juda dapat menggunakan untuk mengetahui energi aktivasi, berapa banyak energi yang dibutuhkan untuk mencapai tahap tertentu misalnya.  Sangatlah penting untuk memahami pola reaksi kimi dalam molekul biologi untuk dapat mengembangkan obat baru,” kata Andersson

Penelitian beliau juga berguna untuk penelitian dalam hal obat kanker. Beliau meneliti tentang radikal, yang mungkin penting dalam kanker. Diantara hal lainnya, beliau mengamati tentang peran ion logam dalam protein. Ion-ion ini memeliki jumlah proton, neutron dan elektron yang besar.

Photosintesis

Professor Einar Uggerud di Jurusan Kimia telah mengungkap bentuk yang benar-benar baru dari ikayan kimia melalui eksperimen terbaru dan kalkulasi kimia kuantum.

Bekerja dengan teman penelitinya Glenn Miller, Professor Uggerud telah menemikan molekul kunci rapuh yang tidak biasa, dalam struktur berbentuk layang-layang, terdiri atas magnesium, karbon, dan oksigen. Molekul ini mungkin saja memberikan pemahaman baru terhadap photosintesis. Potosintesis yang membentuk dasar dari seluruh kehidupan, mengubah CO2 menjadi molekul gula.

Molekul ini bereaksi cepat dengan air dan molekul lain yang menjadikannya hanya bisa diteliti ketika diisolasi daru molekul lain, dalam ruang vakum.

“Waktu akan menunjukkan apakah molekul ini benr-benar mempunyai ikatan penting dengan potosintesis.” kata Uggerud.

Sumber: University of Oslo