Un nuovo modo di investigare atomi e molecole:
la chimica quantistica computazionale
di F. Maggio – Fisico ricercatore
I fisici hanno da sempre rivolto un’attenzione particolare verso il mondo dell’infinitamente piccolo, il mondo degli elementi "costitutivi" della materia. In questa loro ricerca hanno dovuto compiere una rivoluzione concettuale di grande portata: la comprensione dell’inadeguatezza delle leggi della fisica classica per la descrizione dei fenomeni atomici, e l’elaborazione di una nuova e più generale teoria. Non si deve pensare che il primo passo sia stato meno faticoso e difficile del secondo: al contrario ha comportato uno stravolgimento sostanziale del modo di pensare degli scienziati e l’introduzione di concetti assolutamente innovativi e difficili da accettare, come il dualismo tra il comportamento corpuscolare e ondulatorio delle particelle.
Il punto d’arrivo di questo lungo processo è la meccanica quantistica, lo strumento teorico che ha sostituito la meccanica newtoniana nello studio dei fenomeni che avvengono su scala microscopica.
Ovviamente la nuova disciplina ha presto suscitato l’interesse dei chimici teorici, che hanno visto in essa un nuovo strumento per le loro ricerche e hanno contribuito allo sviluppo della stessa teoria quantistica.
La rivoluzione tecnologica che negli ultimi decenni ha investito l’informatica, mettendo a nostra disposizione computer sempre più potenti e a basso costo, ha avuto un effetto significativo anche nel mondo della ricerca chimica. E’ nata una nuova disciplina, la chimica quantistica computazionale, che basa buona parte della propria indagine su modelli quantistici che vengono descritti mediante pesanti simulazioni al calcolatore (metodi ab initio). In questo modo è stata in parte superata l’impasse che già 70 anni fa il grande fisico
P.A.M. Dirac poneva all’attenzione dei suoi contemporanei:le leggi fisiche necessarie per la descrizione matematica di gran parte dei fenomeni fisici e chimici sono completamente note: la difficoltà consiste esclusivamente nel fatto che questi problemi sono troppo complicati per essere risolti.
In altre parole, prima dell’avvento dei computer era ben chiaro come formulare matematicamente i problemi chimico-fisici, ma data la grande complessità che li contraddistingue, non si sapeva come risolverli. Questa situazione, per altro, era caratteristica anche di
altre aree delle scienze fisico-matematiche, che hanno avuto un’evoluzione simile.Oggi la chimica quantistica computazionale è diventata,
non senza fatica, una disciplina complementare alla tradizionale indagine sperimentale; uno dei suoi obiettivi più importanti è lo studio delle proprietà delle molecole complesse con importanti applicazioni per la società, come il design di nuovi composti farmaceutici e la progettazione di componenti elettroniche ultraminiaturizzate.Tuttavia, la simulazione di alcune importanti applicazioni scientifiche o industriali è ancora al di là della portata dei normali computer. Per questo motivo la ricerca recente è orientata ad una stretta collaborazione con gli specialisti della matematica numerica e all’impiego della tecnologia informatica più avanzata, tra cui i calcolatori paralleli, basati sull’uso simultaneo di numerosi processori matematici ad alte prestazioni.
Immagine prodotta dal Dr. Jim Briggs, Department of Chemistry and Biochemistry, UCSD, che rappresenta le interazioni in un sistema macromolecolare. Dati della
Molecular Simulations Inc.
Reazione catalitica intorno un polo metallico. Sono mostrati gli orbitali molecolari. Dati della
Molecular Simulations Inc.Dirac, P. A. M. Proc. R. Soc. London, 1929,123, 714
Si pensi alla fluido-dinamica, che ha avuto un forte indirizzo di tipo numerico computazionale (CFD, Computational Fluid-Dynamics). Oggi la CFD permette il trattamento di importantissime applicazioni come la progettazione di profili alari efficaci per l’industria aeronautica, le previsioni meteorologiche, la simulazione di fenomeni naturali complessi come la turbolenza.
Per un’interessante e sintetica rassegna dell’evoluzione storica della chimica quantistica computazionale, oltre che per un’analisi del significato filosofico di questa disciplina, si veda:
Buyong Ma , Ph.D Dissertation of University of Georgia, March, 1995, The Philosophy of Computational Quantum Chemistr.