Chimica

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La Chimica è una scienza che permette di vedere e capire il mondo a livello molecolare, partendo da gruppi di atomi collegati attraverso "nuvole elettroniche" e interagenti tra loro, sino alle infinite possibilità di strutture molecolari complesse come le bio- e nano-molecole , il DNA, la “centrale elettrica naturale” Fotosistema II, i materiali intelligenti, i dispositivi molecolari, le piante  e gli esseri umani.

Dal punto di vista chimico, tutti questi sono “sistemi molecolari” di diversa complessità che obbediscono alle stesse leggi fisiche di base sull'interazione tra nuclei ed elettroni.

La chimica computazionale implementa queste regole fondamentali in algoritmi numerici, che poi utilizza per comprendere e prevedere le proprietà di sistemi molecolari senza introdurre (o almeno riducendo al minimo) parametri aggiustabili.

Tale disciplina, nata nella prima parte del secolo scorso, è cresciuta parallelamente ai progressi nelle metodologie teoriche, allo sviluppo di nuovi algoritmi e all’aumento della potenza delle macchine da calcolo (computer). Tuttavia, solo recentemente la chimica computazionale è uscita dal campo limitato della ricerca di base, muovendosi verso applicazioni a diversi problemi molto pratici e stimolanti.

Di fatto, la cosiddetta modellizzazione in silico rappresenta ormai un potente strumento per la caratterizzazione di sistemi molecolari, come, ad esempio, per la valutazione e la razionalizzazione delle proprietà strutturali, energetiche e dinamiche.

La chimica computazionale rappresenta oggi un solido sostegno alla ricerca chimica contemporanea incentrata sullo studio dei sistemi complessi, per la comprensione dei meccanismi molecolari della vita e/o la progettazione di nuovi materiali con funzionalità personalizzate.

Approcci computazionali consentono anche di modellare e prevedere le proprietà di sistemi molecolari  di complessità sempre crescente anche prima della loro sintesi in laboratorio e/o caratterizzazione sperimentale. Una progettazione in silico, cioè la simulazione di un gran numero di sistemi molecolari, può in molti casi permettere di selezionare lo specifico sistema (o almeno un numero di candidati molto ridotto) avente le proprietà finali desiderate.

Gli studi computazionali sono anche più veloci, economici e liberi da inquinamento rispetto alle tecniche sperimentali, inoltre, hanno un impatto diretto sui recenti progressi nella progettazione di farmaci, nella scienza dei materiali, nelle nanotecnologie e così via.

La potenzialità della modellistica computazionale di “portare l’esperimento nel cyberspazio” è testimoniata dalla recente assegnazione di due premi Nobel, attribuiti nel 1998 a Walter Kohn e John A. Pople "per lo sviluppo di metodi computazionali in chimica quantistica" e nel 2013 a Martin Karplus , Michael Levitt e Arieh Warshel "per lo sviluppo di modelli multiscala per sistemi chimici complessi "

Una delle caratteristiche più importanti della chimica computazionale è la sua possibilità di spaziare dallo studio delle relazioni struttura-funzione in sistemi naturali alla progettazione di dispositivi molecolari artificiali in grado di imitare i processi naturali (ad esempio la fotosintesi), alla modellizzazione dei materiali ibridi con proprietà specifiche per applicazioni tecnologiche avanzate (ad esempio nano-elettronica, fotovoltaico, nano-medicina, bio-sensing), fino ad una più profonda comprensione dei processi di degrado in pigmenti organici-inorganici complessi, di indubbia rilevanza nel campo dei beni culturali.

 

 

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