Chimica Computazionale

[Chemistry4888]

Salve Myttexiani, inauguro questa nuova sezione del forum con un argomento semplice semplice proprio per scaldare un pochino il "pubblico" interessato alla materia e creare qualche motivazione

Personalmente scoprii di cosa si occupava la chimica computazionale solo quando ebbi la "fortuna" (per alcuni magari "sfortuna") di lavorarci, quindi mi sembra d'obbligo partire dalla domanda:

Che cos'è la chimica computazionale?

La chimica computazionale, come alcuni di voi saprà sicuramente, è la branca della chimica teorica che lavora per sviluppare modelli matematici per la simulazione di sistemi reali. Con sistema reale intendo qualsiasi sistema reale, biologico, chimico ecc ecc. Queste simulazioni sono effettuate tramite l'uso di diversi programmi computazionali, il programma più conosciuto e usato tra questi è sicuramente Gaussian (specifico per la chimica) ma ne esistono molti altri per le simulazioi nelle altre discipline. Sicuramente i settori in cui vengono utilizzati maggiormente questi programmi sono il settore chimico e quello biologico.

Questi programmi utilizzati possono sfruttare sia la meccanica classica che la meccanica quantistica, in base alla branca della meccanica utilizzata avremmo un determinato grado di attendibilità del risultato ottenuto.

Ora la domanda che sorge spontanea é:

Che cosa posso ottenere con l'uso di questi programmi computazionali?

Con la chimica computazionale è possibile ottenere numerose ed utili informazioni (termodinamiche, cinetiche e strutturali) riguardo sistemi di difficile realizzazione dovute a ragioni economiche o tecniche; più ampiamente a tutti quei sistemi che necessitano di studi teorici per avere una loro più approfondita conoscienza.

Immaginate di dover effettuare una reazione chimica avente una cinetica molto lenta e che volete ottimizzarla tramite l'uso di catalizzatori (acidi, basici o catallizzatori metallici).
Attraverso una simulazione computazionale del vostro sistema, nelle 3 diverse situazioni, potete ottenere utilissimi dati che vi aiuteranno nella scelta del miglior catalizzatore da adottare per quel determinato sistema. In questo modo avete risparmiato molti reattivi e naturalmente molti soldi. Tutto questo senza effettuare (fisicamente s'intende) le varie reazioni.

Questo è solo un semplicissimo e direi quasi banale esempio in cui si intravedono le potenzialità della chimica computazionale. Bisogna ricordare che la chimica computazionale è solo un servizio, un aiuto per le altre discipline scientifiche. Lo studio della chimica computazionale teorico non è molto sviluppato (intendo la parte matematica e fisica dietro la simulazione) anche se indispensabile per ottenere delle simulazioni sempre più "reali". Questa parte lasciamola fare ai matematici e ai fisici

Concludo dicendo che deve essere sempre l'operatore a prendere le decisioni, il programma computazionale ci fornisce svariati dati sul sistema ma sarà sempre la bravura dell'operatore nella loro interpretazione che determinerà il successo della simulazione. Inoltre tutte le supposizioni ottenute con la chimica computazionale devono essere sempre supportate da dati sperimentali, quindi la pratica di laboratorio è estremamente importante in questi studi, io aggiungerei per fortuna

Per chi fosse interessato ad avvicinarsi a questa materia per la prima volta, sono disponibilissimo ad aiutarlo. Consiglierei a questi utenti di scrivere dubbi, chiarimenti o ulteriori informazioni in questa sezione, in modo da permettere a tutti gli utenti del forum di prendere parte alla discussione. Con questo non intendo dire che non accetto MP ma allargare la discussione a tutti mi pare la cosa più giusta.

Quindi coraggio, non restate con le mani in mano, facciamo crescere questa nuova sezione

[al-ham-bic]

Molto bene Chem...
Non conoscendo la materia allargo la discussione solo con un consiglio: tratta l'argomento, se ritieni, con esempi e agganci a basso livello, il più possibile basso.
(La bravura di un divulgatore scientifico sta tutta in questo apparente paradosso, ed è indipendente dalla complicatezza o meno della materia).
Le fasi superiori e le applicazioni ad alto livello si intuiscono poi immediatamente e con facilità, il difficile è gettare le basi in maniera semplice ed accattivante.
Ho (abbiamo...) fiducia in te!

[Chemistry4888]

Grazie mille Al

Raccolgo molto volentieri il tuo consiglio, avevo proprio pensato di iniziare con qualche nozione teorica molto di base (tranquillo senza dimostrazioni matematiche o fisiche, come già detto quello lo lasciamo a loro :p ) volte a comprendere come lavora il programma e come farlo lavorare (non preoccupatevi è più difficile a dirlo che a farlo ), in modo da poter iniziare qualche esercitazione passo passo per simulare qualche sistema semplice semplice

Adesso sono appena rientrato in Italia per sbrigare qualche faccenda con la mia università appena ho un pochino di tempo libero, mi metto subito al lavoro!

Cercherò di non tradire la tua (vostra...) fiducia

Stay Computational

[**R@dIo@TtIvO**]

il programma che usi tu è free? si potrebbe scaricare dal web? se si sai fornirmi qualche link?
grazie lo stesso!

[lorenzo]

Se ho capito bene, Chemistry4888 usa il Gaussian, che non è assolutamente free. Se volete usare un programma gratuito, io ho provato MPQC (che non mi sembra tanto facile). Se no esiste una versione free di GAMESS (ma non sono mai riuscito a farlo funzionare).
Lavorando con un gruppo di chimici teorici in università, ho avuto la possibilità di usare Gaussian; se voialtri studiate chimica all'università può darsi che riusciate a procurarvelo con la loro licenza, altrimenti dovete essere abbastanza capaci con il computer e compilarvi uno dei pacchetti open source.
Su wikipedia si trova una lista http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_qua...s_software di software per la chimica computazionale.

[Chemistry4888]

Come ha già ben detto Lorenzo, io utilizzo Gaussian che purtroppo non è free. Potete scaricarvi ChemCraft dal web (150 giorni di prova ma rinnovabili quindi free) che è l'interfaccia grafica per i file output di Gaussian (o qualsiasi altro file output di un altro programma computazionale). In questo modo potete osservare i vari file output che posterò in seguito direttamente nel vostro PC di casa e rendervi conto in modo più diretto delle potenzialità della chimica computazionale.

Sto cercando di trovare una soluzione per potervi dare Gaussian o un altro programma simile (naturalmente all'interno del regolamento legislativo nazionale) che vi permetta di effettuare anche il calcolo computazionale e non solo osservare il risultato finale del file output. In questo modo sarete in grado di fare simulazioni di qualsiasi sistema vogliate e postare il risultato ottenuto in questa sezione, arricchendola.

Spero di trovare una soluzione perchè vi vedo molto interessati all'idea

Stay computational

[lorenzo]

C'è anche questo NwChem che sembra abbastanza completo:
http://www.nwchem-sw.org/index.php/Main_Page

EDIT: i binari per Win sono qui: http://timn.ho.ua/ccs/

[Chemistry4888]

Bel lavoro Lorenzo,

Non l'ho mai sentito come programma ma non è importante, non posso conoscere tutti i programmi computazionali esistenti (conosco giusto i maggiori). Per chi lo scarica e vuole verifica la sua compatiilità con i file input di Gaussian, mi contatti qui tramite MP. Vi invierò un semplice file input e proverete a lanciarlo con NWChem. La modalità di lancio dovrebbe essere sempre la stessa: File - Open file - Select file (il mio input) - run o exit and run. In questo modo dovrebbe partire, se avete problemi contattatemi.

Altri possibile programmi computazionali sono: Spartan (commerciale ma disponibile nella versione demo fino a un paio di mesi fa), DIRAC (Free con metodo DFT e HF), Firefly/PC GAMESS (Free con registrazione, DFT + HF ), SIESTA e PLATO (Free ma solo con metodo DFT, va benissimo uguale).

Di questi ho lavorato solo con Spartan e per lui sono sicuro che il linguaggio del file di input da lanciare con il programma è lo stesso di Gaussian. Per tutti gli altri naturalmente bisogna fare la prova di compatibilità descritta per NWChem.

Se riuscite a trovare anche il manuale del programma siamo a cavallo, di solito è sempre abbinato al programma.

Intanto cerco di trovare il modo di fornirvi Gaussian in maniera legale.

Stay Computational

[lorenzo]

Allora, ho controllato e il file di input di NwChem è decisamente diverso da quello del Gaussian
(Vedi http://www.nwchem-sw.org/index.php/Getting_Started)
Tuttavia, non sembra difficile fargli fare quello che vogliamo noi

[Chemistry4888]

Sicuramente il file Input è differente da Gaussian, ma la struttura base comprende le stesse informazioni necessarie a Gaussian. Come dice lorenzo non è molto difficile fargli fare quello che desideriamo anche se un piccolo ostacolo potrebbe essere l'incopatibilità con la Matrice Z. NWChem utilizza le coordinate cartesiane per descrivere il nostro sistema nello spazio.
Per ottenere le coordinate cartesiane del nostro sistema dobbiamo prima creare la matrice Z del sistema e poi con un programma (anche Chem3D del pacchetto ChemOffice ma ce ne saranno altri sicuramente free) convertirla in coordinate cartesiane.

Si potrebbero ottenere anche senza programma, ma bisogna effettuare una serie di calcoli geometrici molto lunghi e noiosi. Si pone come origine un atomo del sistema (0, 0, 0) e si calcola in Amstrong le componenti X, Y e Z dell'atomo da definire rispetto all'origine. Non è difficilissimo ma se il sistema è molto grande, i calcoli sono molto noiosi e la probabilità di sbagliare è molto alta, rendendo illeggibile da parte del programma il file Input.

Stupide macchine

Vi inserisco le coordinate cartesiane per la molecola d'acqua, prese dal link postato da lorenzo in modo da rendere l'idea del discorso precedente:


O 0.0 0.0 0.0
H 0.0 0.0 1.0
H 0.0 1.0 0.0

Non ci sono gli assi perchè la disposizione della molecola all'interno del piano cartesiano è puramente soggettiva.

Stay Computational