Berkenalan dengan Kimia Komputasi dan Potensinya Bagi Bangsa

Apa itu Kimia Komputasi?

Kita sudah sering mendengar istilah kimia, walaupun mungkin yang terbayang di benak kita zat-zat berbahaya, gampang meledak, dan hal menyeramkan lainnya. Bagi yang mendalami ilmu kimia, tentu akrab dengan istilah kimia organik-anorganik, kimia fisika, dan kimia analitik. Lalu bagaimana dengan kimia komputasi? 

Sebagaimana yang telah maklum, komputer kini telah merambah berbagai bidang kehidupan kita. Ketika mengambil uang di ATM, membayar di kasir minimarket, bahkan handphone dan smartphone yang selalu kita gunakan, merupakan sistem komputer.

Dengan demikian, saat ini komputer bukan lagi benda ajaib yang berasal dari planet lain, tapi merupakan bagian dari kehidupan kita. Demikian pula dalam ilmu kimia, peranan komputer juga diperlukan. Apalagi banyak reaksi kimia kompleks yang belum dapat dijelaskan menggunakan teori konvensional. 

Jadi secara umum, kimia komputasi adalah cabang ilmu kimia yang mensimulasikan fenomena kimiawi menggunakan model matematis dengan bantuan komputer (Shakerzadeh : 2016).

Sehingga boleh dikatakan inilah cabang ilmu kimia yang tidak memerlukan eksperimen di laboratorium, maka kita tidak perlu risau dengan biaya yang mahal atau kecelakaan yang mungkin terjadi di laboratorium.

Bahkan, kita tidak perlu risau reagen habis sehingga kita bisa mencoba berbagai reaksi kimia hanya dengan “bermain” di komputer.

Sejarah Kimia Komputasi

Salah satu penemuan yang mendasari kimia komputasi adalah mekanika kuantum yang kemudian dapat menjelaskan banyak fenomena pada tingkatan atomik. Pada tahun 1927, Walter Heitler dan Fritz London berhasil menggunakan perhitungan mekanika kuantum untuk menjelaskan ikatan kimia.

Seiring perkembangan teknologi komputer yang lebih efisien, pada tahun 1950-an dimulailah perhitungan orbital atom dengan menggunakan pendekatan semi empiris. Perhitungan dengan pendekatan ab initio pada molekul diatomik dilakukan pada tahun 1956 menggunakan basis set dari orbital Slater di MIT.

Untuk molekul diatomik, suatu studi sistematis
menggunakan sebuah basis set minimum dan perhitungan dengan basis set yang lebih besar dipublikasikan oleh Ransil dan Nesbet pada tahun 1960.
Perhitungan pada poliatom pertama yang menggunakan orbital Gaussian
dilakukan pada akhir 1950-an, dan perhitungan interaksi konfigurasi
menggunakan komputer EDSAC di Cambridge oleh Boys. 

Pada tahun 1964, metode perhitungan Huckel (menggunakan kombinasi linear orbital atom) digunakan pada butadiena dan benzena dalam komputer di Berkeley dan Oxford.

Pada permulaan 1970-an, program seperti ATMOL, Gaussian, IBMOL, dan POLYATOM mulai digunakan untuk perhitungan ab intio secara efisien dan cepat. Di saat yang hampir bersamaan, metode Mekanika Molekuler dikembangkan oleh Norman Allinger.

Pada tahun 1971, ketika bibliografi dari perhitungan ab intio dipublikasikan, molekul terbesar yang diikutkan adalah naphtalena dan azulena. Jurnal kimia komputasi pertama, yaitu Journal of Computational Chemistry diterbitkan tahun 1980.

Ruang Lingkup Bahasan Kimia Komputasi

Ruang lingkup bahasan kimia komputasi tentu saja seluas bahasan ilmu kimia itu sendiri. Hanya saja banyak sekali aspek yang menggunakan komputer, seperti pengolahan data eksperimen, bahkan media pembelajaran kimia.

Oleh karena itu, kimia komputasi hanya membahas fenomena pada tingkat atomik dan molekuler. Oleh karena itu, kimia komputasi juga terkait erat dengan mekanika kuantum.

Menurut Pranowo, secara garis besar ada 3 pendekatan dalam kimia komputasi, yaitu ab intio, semi empiris, dan mekanika molekuler. Metode ab intio lebih cocok digunakan untuk molekul beratom sedikit (Simons dan Nichols : 1997), terutama pada molekul anorganik.

Kelebihannya yakni dapat menghitung banyak properti kimia, seperti energi ionisasi, momen dipol, dan kerapatan elektron. Sedangkan metode semi empiris, mengurangi porsi perhitungan secara kuantum secara langsung dan menggunakan parameter data eksperimen.

Metode ini cocok untuk molekul-molekul organik yang hanya terdiri dari atom nonlogam. Namun, untuk atom logam terutama logam transisi metode ini memberikan hasil yang kurang memuaskan (Nandy et.al : 2021).

Sedangkan metode mekanika molekular, menggunakan kurva potensial dan mengambil data eksperimen (Omer et. al : 2015), sehingga metode ini sangat cocok pada makromolekul yakni biomolekul, seperti protein.

Kelebihannya yakni  secara cepat dapat diterapkan pada molekul besar, yang sangat sulit dilakukan bila menggunakan mekanika kuantum, namun kelemahannya yaitu tidak banyak menjelaskan properti kimiawi.

Maka dari itu, pada kebanyakan hasil perhitungan tidak tepat sama dengan hasil eksperimen, karena perhitungan yang digunakan menggunakan nilai pendekatan, bukan nilai eksak.

Oleh karenanya, metode komputasi dapat digunakan sebagai prediktor dari suatu eksperimen, jadi kita bisa mengurangi kombinasi perlakuan eksperimen untuk mendapat hasil yang diinginkan.

Aplikasi dan Keberhasilan Kimia Komputasi

Sampai saat ini belum ada yang dapat melihat bentuk atom. Oleh karena itu, kebanyakan bentuk molekul yang kita kenal sekarang ini merupakan hasil dari pemodelan kimia komputasi.

Segala sesuatu yang ada di alam ini
biasanya menggunakan energi sekecil mungkin, maka digunakanlah
algoritma untuk mencari bentuk struktur molekul yang
paling rendah energinya.

Pemodelan molekul ini sangat penting untuk mengetahui properti (sifat) kimia dan fisika. Oleh karenanya, dalam kimia komputasi juga dikembangkan suatu metode untuk menentukan hubungan sifat biologis suatu molekul dengan struktur kimianya.

Selain itu, dengan menggunakan kimia komputasi kita juga dapat menghitung energi ionisasi, momen dipol, muatan atomik parsial, dan melihat visualisasi peta potensial elektrostatik dan orbital suatu molekul. Hal ini sangat berguna dalam menentukan mekanisme reaksi dan kereaktifan suatu molekul, dan dalam penerapan proses docking antara obat dan reseptor (Vivo et. al : 2016).

Kita juga dapat memprediksi intensitas dan panjang gelombang dari transisi elektronik, memperkirakan intensitas dan bilangan gelombang dari garis serapan vibrasi pada suatu molekul, yang merupakan data awal dalam spektroskopi.

Demikian juga dengan molekul dalam fasa terkondensasi, kita dapat menghitung koefisien difusi, fungsi distribusi radial, energi, dan konformasi molekul, dengan menggunakan metode dinamika molecular (Ren et.al : 2022).

Hal ini akan yang sangat berguna dalam mempelajari sistem melekular seperti molekul organik dalam larutan dan senyawa makromolekul dalam proses metabolisme. 

Perhitungan kimia komputasi akan dapat membantu penyelesaian penghitungan besaran termodinamika, terutama jika kita berhadapan dengan molekul-molekul yang besar.

Hadiah Nobel

Para ilmuwan kimia komputasi juga pernah mendapat penghargaan bergengsi yaitu Nobel Kimia pada tahun 1998 dan 2013.

Pada tahun 1998, Walter Kohn atas jasanya dalam pengembangan Density Functional Theory, bersama dengan John Pople, yang mengembangkan metode komputasi dalam kimia kuantum, dianugerahi hadiah Nobel.

Selanjutnya hadiah Nobel tahun 2013 diberikan kepada Martin Karplus, Michael Levitt dan Arieh Warshel atas jasa mereka dalam pengembangan model multiskala untuk sistem kimia kompleks dengan menggunakan komputer.

Software Kimia Komputasi

Pada saat sekarang ini, software-software kimia komputasi boleh dikatakan bertebaran dan mudah didapat, tinggal pilih mana yang sesuai dengan selera. Ada yang freeware atau gratis, ada pula yang shareware, yakni gratis tapi harus mengisi form dan hanya boleh untuk tujuan akademik. Ada juga yang berbayar, tetapi sangat lengkap. 

Demikian juga dengan sistem operasi, bahasa pemrograman dan tampilan yang digunakan, sangat beragam sekali.

Ada software yang kompatibel dengan OS (operating system) Windows yang rata-rata digunakan orang Indonesia, banyak pula yang bersifat open source. Ada yang hanya berupa sintaks saja, hingga yang mempunyai GUI (graphical user interface) sangat menarik juga ada.

Untuk ukuran besar data juga beragam, bahkan mencapai ukuran giga byte (GB). Beberapa software yang terkenal adalah Gaussian, HyperChem, GAMESS, Avogadro, NW Chem, dan ORCA. 

Biasanya untuk proses input, kita juga memerlukan software lain yang dapat menulis file struktur kimia, file tersebut biasanya berekstensi .mol, .mdl, .pdb, .xyz, .cml, .sd, .sdf. Tenang saja, beberapa software untuk menggambar struktur kimia yang sudah sangat jamak digunakan mahasiswa seperti ACD ChemSketch, dapat kita gunakan.

Masa Depan Kimia Komputasi

Di masa depan, peranan kimia komputasi sangat diperlukan. Sebutlah misalnya dalam pembuatan obat. Selama ini, uji toksisitas suatu obat selalu menggunakan hewan dan hal ini memerlukan biaya yang banyak dan waktu yang lebih banyak dibandingkan dengan simulasi komputer.

Selain itu, penggunaan kimia komputasi akan memperbesar kemungkinan penemuan obat-obatan baru dalam waktu yang singkat. Hal ini karena seorang ilmuwan akan dengan mudah mensimulasikan berbagai zat yang dianggap dapat menjadi obat hanya dengan beberapa klik saja.

• Di bidang ilmu material, peranan kimia komputasi akan sangat diperlukan. Apalagi pada abad ini terdapat tantangan bagi para ilmuwan untuk menemukan material baru yang mempunyai sifat-sifat unggul namun terbuat dari bahan organik yang mudah didapat.
• Di samping itu, perubahan paradigma pembuatan material, dari yang semula menurut alur top-down, material dibuat dari benda besar, seperti kayu yang diolah dari pohon. Paradigma ini berubah menjadi bottom-up yakni material didesain dari tingkat atomnya.
• Bahkan, dengan kimia komputasi sebenarnya dapat dilakukan simulasi untuk menemukan bahan bakar yang ramah lingkungan, sekaligus juga mekanisme reaksi pembuatannya sehingga bahan bakar tersebut dapat diperoleh dari sumber alami.
• Pada tahun 2020, ketika wabah COVID 19 melanda, para ahli kimia komputasi dari seluruh penjuru dunia berupaya memecahkan masalah ini dengan pendekatan kimia komputasi (Mulholland dan Amaro: 2020). Salah satunya yaitu upaya untuk menemukan struktur molekul dari virus tersebut.
• Dengan mengetahui strukturnya secara jelas, maka dapat diketahui mekanisme virus ketika menyerang tubuh manusia. Demikian pula dapat ditentukan obat dan vaksin yang tepat untuk mengatasi serangan virus tersebut (Lemonick : 2021).

Dengan melihat fakta ini, maka peran kimia komputasi akan sangat vital di masa depan. Demikian juga dengan digitalisasi di Indonesia yang “kemaruk”, maka kimia komputasi akan mendapatkan tempat yang istimewa di tengah-tengah industri kimia kelak.

Mudah-mudahan kita tidak ketinggalan mengikuti perkembangan yang pesat di luar, supaya kita bisa mencapai Indonesia Emas tahun 2045.

Semoga!