Chimica computazionale
La chimica computazionale è la branca della chimica teorica che si occupa dello sviluppo di modelli matematici, basati sia sulla meccanica classica che sulla meccanica quantistica, in grado di simulare sistemi chimici, con lo scopo di calcolarne le grandezze fisiche caratteristiche e prevederne le proprietà chimiche.
La potenza predittiva delle simulazioni è intimamente legata alle caratteristiche delle macchine che si hanno a disposizione. Il numero di operazioni floating-point per secondo (FLOPS) e la capacità di memoria sono i più importanti parametri che determinano la possibilità di eseguire simulazioni in tempi ragionevoli. Nonostante già nei primi anni del XX secolo il supporto teorico per la formulazione dei modelli fosse pronto, il grande sviluppo della chimica computazionale si è avuto negli ultimi 30 anni, proprio perché si è iniziato a disporre di sistemi hardware sufficientemente potenti.
Le utilità delle simulazioni sono molteplici:
- I calcoli sono preziosi nell'interpretazione dei dati sperimentali. Si può mettere in luce ciò che è avvenuto in un esperimento confrontando le misure con i calcoli.
- Sono utili per mettere a punto la strumentazione più adeguata allo studio sperimentale di un certo sistema.
- Permettono di ottenere informazioni su sistemi difficili da studiare sperimentalmente per motivi tecnici o economici.
Le grandezze che si vogliono calcolare sono numerose, se ne riportano solo alcune a titolo di esempio:
- Ottimizzazione delle geometrie molecolari
- Superficie di energia potenziale
- Grandezze termodinamiche
- Grandezze cinetiche
- Spettro NMR
- Spettro EPR
- Spettro IR
- Spettro rotazionale
- Affinità elettronica
- Energia di ionizzazione
Metodi
I metodi impiegati in chimica computazionale possono essere divisi in due sottogruppi in funzione delle modalità descrittive degli atomi e delle molecole:
1. Metodi classici: le caratteristiche molecolari vengono descritte per mezzo di una modellazione della molecola basata sulla elettrostatica e sulla meccanica classica
2. Metodi quantomeccanici: le caratteristiche molecolari vengono descritti in termini quantomeccanici. I metodi quantomeccanici possono a loro volta essere suddivisi in due sottocategorie: i metodi ab initio (che permettono di studiare un oggetto risolvendo direttamente l'equazione di Schroedinger per l'oggetto in esame) e i metodi semiempirici(che utilizzano nella risoluzione della equazione di Schroedinger parametri ottenuti sperimentalmente al fine di evitare un appesantimento eccessivo del calcolo).
Metodi ab initio
- Metodo di Hartree Fock (HF)
- Metodi post-HF
- Metodi CI
- Metodo MCSCF
- Metodi perturbativi
- Metodo Coupled Cluster
- Teoria del funzionale della densità (DFT)
Metodi semi-empirici
- Metodo di Hückel
- Metodo CNDO
- Metodo INDO
- Metodo NDDO
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