Cluster Modelling

Pengembangan katalis baru merupakan kunci untuk kimia yang lebih bersih dan ramah lingkungan (cleaner and sustainable chemistry). Kimia komputasi juga turut berperan dalam mengembangkan katalis baru. Dengan mengetahui interaksi secara level molekular dan mendetail akan dapat dipahami faktor-faktor yang mempengaruhi aktivitas dan selektifitas dari katalis sehingga dapat dikembangkan katalis baru yang memiliki aktivitas dan selektifitas yang jauh lebih baik.

Dalam dunia komputasi terdapat satu bidang yang berkembang cukup pesat seiring dengan pesatnya perkembangan teknologi informasi dan komputer. Bidang tersebut adalah solid state modelling.  Pada beberapa dekade yang lalu fragmen dari molekul masih dimodelkan dalam bentuk kecil karena keterbatasan dari perangkat keras. Namun kini, dengan semakin pesatnya perkembangan komputer fragmen yang besar dapat dimodelkan. Terminasi dari fragmen tetap pada bagian yang penting dan pada oksida logam, dangling bond dapat dijenuhkan dengan atom oksigen atau pseudohydrogen atom. Pada beberapa kasus, pengaruh dari bagian yang “missing” dari padatan dapat dimodelkan dengan teknik embedding seperti pengaturan titik muatan pada padatan ionik misalnya. Pendekatan molekular ini dinamakan dengan cluster modelling.

Untuk kompleks supporting material dan grafted compleks modelling dengan teknik ini merupakan hal yang sangat bermanfaat karena metode-metode “kelas berat” dapat dijalankan secara utuh. Model ini juga mengkompromikan antara ukuran model dengan akurasi dari deskripsi mekanika kuantum. Dengan Model kecil berukuran 10 atom metode korelasi elektron dengan akurasi sangat tinggi seperti CASSCF, CI dapat diterapkan. Sedangkan dengan model dengan jumlah atom yang lebih banyak (10-100 atom) dapat dikalkulasi menggunakan DFT, yang telah mengakomodasi interaksi antar elektron. Dewasa ini berbagai macam pendekatan dalam DFT berkembang dengan pesat karena mengkompromikan antara akurasi dengan biaya komputasi. Sedangkan untuk sistem yang besar metode hybrid seperti QM/MM, yang mengkombinasikan antara mekanika kuantum untuk bagian inti dan pendekatan semi empiris untuk bagian bulk-nya dapat diterapkan, misalnya untuk sistem di mana ligan yang besar tetap berada di dalam kompleks.

Metode kedua adalah menggunakan teknik periodic slab. Pada teknik ini, permukaan dari unit sel diekpansikan dalam dua arah bidang. Slab terdiri  dari beberapa layer atom. Kompleks logam dapat diletakkan pada masing-masing dari unit sel. Ketika kompleks logam membawa ligan yang cukup besar, maka ukuran unit sel harus cukup besar untuk menghindari interaksi lateral antara masing-masing kompleks dengan permukaan (surface).  Pada model ini metode yang dapat diterapkan adalah berdasarkan teorema Bloch. Metode ini mendeskripsikan struktur elektronik menggunakan DFT, Hatree-Fock (HF) atau untuk sistem yang kecil dapat menggunakan MP2.  Surface dimodelkan sebagai sistem yang diperpanjang dalam dua arah. Jumlah layer dapat divariasi hingga kriteria konvergensi dari sifat-sifat yang diinginkan dapat diperoleh.

Antara model kluster dan slab memperbolehkan mengoptimasi geometri dari berbagai macam struktur untuk meletakkan kompleks lalu membandingkan kestabilannya. Struktur ini dapat dibandingkan dengan data eksperimental antara lain EXAFS, DFT biasanya menghasilkan struktur dengan data kristalografi yang hampir sama dengan eksperimen. Salah satu software yang menggunakan periodic slab untuk memodelkan padatan adalah VASP (Vienna Ab initio Packages Software). Akan tetapi kelemahan dari periodic slab model adalah membutuhkan resource komputer yang tinggi karena  struktur elektronik dari kristal didefinisikan oleh plot struktur pita (band structure plot), yang memberikan energi dari orbital molekul pada setiap titik dalam ruang, yang dikenal dengan nama daerah Bruillion (Bruillion zone). Perhitungan ab initio dan semiempiris menghasilkan energi orbital, sehingga mereka dapat diterapkan pada perhitungan struktur pita. Jika perhitungan energi molekul memerlukan waktu yang lama, maka diperlukan waktu yang jauh lebih besar untuk menghitung energi setiap titik dalam daerah Bruillion.

#Sautet, P and Delbcecq, F, 2010, Catalysis and Surface Organometallic Chemistry: A View From Theory and Simulations, Chem. Rev, 110, 1788-1806.
#Pranowo, H.D, 2002, Pengantar Kimia Komputasi, Austrian-Indonesian Centre for Computational Chemistry (AIC), Jurusan Kimia Fakultas MIPA Universitas Gajah Mada,  Yogyakarta.

One thought on “Cluster Modelling

  1. Pingback: brief of solid state modelling, band structure « neax502 simple blog

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s