Sebuah teka-teki dalam kimia teoretis telah terpecahkan di TU Wien: metode komputasi baru kini memungkinkan penghitungan gaya antara molekul besar dengan akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Mengapa tokek bisa memanjat tembok? Mengapa nitrogen menjadi cair pada suhu -196 °C? Banyak fenomena sehari-hari yang dapat dijelaskan dengan gaya van der Waals – ikatan lemah antar molekul yang sangat sulit dihitung. Selama bertahun-tahun, para ilmuwan bergelut dengan kenyataan bahwa metode komputasi yang berbeda memberikan hasil yang bertentangan.
Kini, para peneliti di TU Wien telah mengatasi kesenjangan ini dan menemukan solusinya. Ironisnya, metode yang telah lama dianggap sebagai “standar emas” kimia kuantum ternyata menjadi sumber kesalahan: metode ini secara sistematis melebih-lebihkan energi yang terkandung dalam ikatan molekul tertentu. Dengan varian yang lebih baik, tim TU Wien kini dapat memprediksi dengan tepat perilaku molekul besar – sebuah langkah penting untuk memahami sistem biologis dan untuk memajukan teknologi energi terbarukan.
Misteri Kimia
“Untuk menggambarkan ikatan antara molekul besar, para ilmuwan menggunakan pendekatan komputasi yang berbeda,” jelas Tobias Schäfer dan Andreas Irmler, penulis pertama studi baru ini. Bersama Alejandro Gallo dan ketua kelompok penelitian Prof. Andreas Grüneis, mereka membandingkan metode yang paling banyak digunakan.
“Salah satu pilihannya adalah dengan menggunakan simulasi kuantum Monte Carlo,” kata Schäfer. “Di sini, komputer mengeksplorasi kemungkinan susunan elektron yang tak terhitung jumlahnya – mempertahankan elektron yang menguntungkan dan membuang elektron yang tidak menguntungkan. Pilihan lainnya adalah apa yang disebut pendekatan cluster berpasangan,” tambah Irmler. “Dalam hal ini, molekul-molekul diperlakukan dalam keadaan energi rendah, dan konfigurasi energi yang lebih tinggi ditambahkan kemudian sebagai semacam koreksi.”
“Metode cluster berpasangan ini telah lama dianggap sebagai standar terbaik,” kata Schäfer. “Tetapi semakin dekat kita melihat, semakin jelas bahwa ada penyimpangan kecil namun terus-menerus dibandingkan dengan hasil Monte Carlo – dan selama bertahun-tahun, tidak ada yang tahu alasannya.”
Kini tim TU Wien telah menemukan jawabannya: “Kami menemukan bahwa metode cluster berpasangan secara sistematis melebih-lebihkan energi pengikatan dalam molekul besar yang sangat terpolarisasi,” jelas Irmler. “Varian kami yang ditingkatkan mengoreksi penyimpangan ini tanpa meningkatkan biaya komputasi secara signifikan.” Dengan koreksi ini, hasilnya kini lebih selaras dengan data kuantum Monte Carlo.
Molekul Besar – Sangat Penting
Kemajuan ini sangat penting untuk sistem molekuler besar. “Jika Anda ingin mendeskripsikan molekul yang mengandung hingga seratus atom, upaya komputasi menjadi sangat besar,” kata Alejandro Gallo. “Bahkan superkomputer terbesar di dunia pun mencapai batas kemampuannya. Untuk mencapai prediksi yang andal, kita memerlukan metode perkiraan yang sangat canggih.”
Dan molekul besar menjadi semakin penting – dalam berbagai bidang mulai dari penelitian material hingga pengembangan farmasi. “Jika kita ingin memahami bagaimana obat mengkristal di dalam tablet, atau seberapa kuat suatu bahan mengikat hidrogen untuk penyimpanan energi, kita perlu memodelkan gaya van der Waals secara akurat,” kata Schäfer.
Dari Teori Fundamental hingga Aplikasi Praktis
Metode baru ini memungkinkan data referensi yang lebih andal – tidak hanya untuk simulasi tradisional tetapi juga sebagai data pelatihan untuk model AI. Model seperti ini sudah digunakan untuk merancang material dan obat-obatan baru di lingkungan virtual.
“Kami sedang membangun jembatan antara akurasi tertinggi dan kegunaan praktis,” kata Prof. Andreas Grüneis dari Institut Fisika Teoritis di TU Wien. “Hal ini membuka kemungkinan baru bagi ilmu material. Hasil kami menunjukkan bahwa metode yang sudah mapan sekalipun harus terus dikaji ulang untuk mengimbangi tuntutan penelitian modern yang semakin meningkat.”
Publikasi asli
T. Schäfer et al., Memahami perbedaan energi interaksi nonkovalen dari teori fungsi gelombang untuk molekul besar, Nature Communications 16, 9108 (2025).
