laporan praktikum kimia fisik percobaan - · pdf filelaporan praktikum kimia fisik ... tanggal...

of 15 /15
LAPORAN PRAKTIKUM KIMIA FISIK PERCOBAAN - 8 SIMULASI MOLEKULER Nama Anggota : 1. Anisa Pramudia Harini (125090206111001) 2. Dwi Sapri Ramadhan (125090201111005) 3. Emi Setyowati (125090200111042) 4. Isna Azkiya (125090200111044) 5. Novia Nurul Azizah (125090201111010) 6. Nur Lailatur Rahmah (125090200111053) Tanggal Praktikum : 13 Mei 2014 JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITASBRAWIJAYA 2014 1 Simulasi Dinamika molekuler *** This document is proudly made using L A T E X***

Author: hoangdung

Post on 06-Feb-2018

255 views

Category:

Documents


8 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • LAPORAN PRAKTIKUM KIMIA FISIKPERCOBAAN - 8

    SIMULASI MOLEKULER

    Nama Anggota :

    1. Anisa Pramudia Harini (125090206111001)

    2. Dwi Sapri Ramadhan (125090201111005)

    3. Emi Setyowati (125090200111042)

    4. Isna Azkiya (125090200111044)

    5. Novia Nurul Azizah (125090201111010)

    6. Nur Lailatur Rahmah (125090200111053)

    Tanggal Praktikum : 13 Mei 2014

    JURUSAN KIMIAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

    UNIVERSITAS BRAWIJAYA2014

    1

    Simulasi Dinamika molekuler

    *** This document is proudly made using LATEX***

  • BAB IPENDAHULUAN

    1.1 LATAR BELAKANGSimulasi komputer memainkan peranan penting dalam penelitian ilmiah,karena

    ia bertindak sebagai jembatan antara besaran mikroskopik, besaran waktu dan besaranmakroskopik laboratorium. Dalam fisika komputasi, simulasi komputer dikategorikanmenjadi dua yaitu dinamika molekul (molecular dynamic/MD) dan Monte Carlo (MC)[1].

    Molekuler Dinamik merupakan teknik simulasi komputer yang direpresentasikanoleh interaksi sejumlah atom dalam jangka waktu tertentu. Paket program Moldy adalahsuatu program open source yang dipakai untuk simulasi dinamika molekul bahan cair ataupadat. Hasil simulasi ini merupakan parameter-parameter dalam fungsi distribusi radialdan Mean Square Displacement sebagai fungsi dari waktu yang mencerminkan karakter-istik material [2].

    Dalam percobaan simulasi molekuler ini khusunya diselidiki kristal Argon padafasa padat, cair, dan gas. Hasil yang diperoleh dalam simulasi molekuler ini adalah kurvaenergi, mean square displacement (MSD),fungsi distribusi radial (Radial distribution func-tion/RDF) dari argon pada fasa padat,cair dan gas.

    1.2 TUJUANMenganalisis profil fungsi distribusi radial g(r), fluktuasi energi, mean square dis-

    placement (MSD), dan menentukan koefisien difusi D dengan menggunakan teknik simu-lasi dinamika molekuler untuk sistem homogen sederhana.

    1.3 DASAR TEORIMetode dinamika molekul (MD) merupakan salah satu metode komputasi fisika

    yang popular untuk mensimulasikan gerak atom, molekul dan obyek berukuran besarseperti planet dalam galaksi. Dengan metode MD gerak atom-atom bahan jika men-galami pengaruh dari luar seperti akibat pemanasan, dapat amati dari waktu ke waktu.Secara ringkas metode MD memerlukan informasi koordinat awal atom, kondisi simulasi(temperatur, tekanan, rapat partikel, dan lain-lain), fungsi potensial interaksi antar atomuntuk obyek yang akan disimulasikan dan spesifikasi obyek yang disimulasikan (massa,muatan, jumlah atom, dan lain-lain) [3].

    Tujuan utama dari simulasi dinamika molekuler adalah [4]:

    1. Menghasilkan trajektori molekul dalam jangka waktu terhingga.

    2. Menjadi jembatan antara teori dan hasil eksperimen.

    3. Memungkinkan para ahli kimia untuk melakukan simulasi yang tidak bisa dilakukandalam laboratorium.

    2

    Simulasi Dinamika molekuler

    *** This document is proudly made using LATEX***

  • Kuantitas makroskopik lain yang penting dalam dinamika molekul adalah MeanSquare Displacement (MSD). Pada temperatur tinggi atom-atom dalam sistem bergeraksetiap saat. Dalam molekular dinamik ini berarti merupakan iterasi dari pemecahanpersamaan diferensial dengan jumlah timestep tertentu. Dengan demikian perpindahankuadrat dari atom-atom setiap saat dapat dirata-ratakan. Kuantitas ini dapat dikaitkandengan perhitungan konstanta difusi. Persamaan untuk Mean square displacement (MSD)adalah sbb [4]:

    Konstanta difusi diri dapat diperoleh dari hubungan:

    Dengan demikian koefisien difusi diri berbanding lurus dengan kemiringan kurvaMSD vs timestep.

    Gromacs merupakan sebuah aplikasi yang dikembangkan pertama kali oleh de-partemen kimia universitas Groningen. Aplikasi ini digunakan untuk melakukan simulasidinamika molekuler dan penyusutan energi. Konsep yang digunakan dalam Gromacsadalah syarat batas periodik dan group. Syarat batas periodik merupakan cara klasikyang digunakan pada Gromacs untuk mengurangi efek tepi dalam suatu sistem. Dimanaatom yang akan disimulasikan diletakan pada sebuah box, yang disekitarnya dikelilingioleh salinan atom tersebut. Dalam Gromacs terdapat beberapa model box yaitu triclinic,cubic serta octahedron. Konsep Gromacs yang kedua adalah group. Konsep ini digunakandalam Gromacs untuk menampilkan suatu tindakan. Setiap group hanya dapat memilikijumlah atom maksimum 256, dimana setiap atom hanya boleh mempunyai enam groupyang berbeda. Aplikasi Gromacs dapat berjalan pada sistem operasi Linux, Unix maupunwindows. Untuk menjalankan Gromacs pada computer multiprosesor, maka diperlukanMPI (Message Passing Interface) library untuk komunikasi paralel. Gromacs merupakansalah satu aplikasi yang dapat melakukan simulasi dinamika molekuler berdasarkan per-samaan hukum newton. Gromacs pertama kali dikenalkan oleh Universitas Groningensebagai mesin simulasi dinamika molekular [5].

    Persamaan potensial Lennard-Jones seperti pada persaman [2] :

    Dalam persamaan tersebut, dan adalah parameter potensial yang menyatakankekuatan dan jangkauan dari potential. Meskipun potensial ini pada awalnya digunakanuntuk memodelkan potensial pada argon cair, potensial ini juga sering digunakan dalammodel yang lebih umum untuk mendapatkan gambaran kualitatif.

    3

    Simulasi Dinamika molekuler

    *** This document is proudly made using LATEX***

  • Dalam implementasi dinamika molekular biasanya potential ini hanya bekerjapada rentang jarak yang lebih kecil daripada nilai tertentu. Gaya yang dialami oleh atomi akibat berinteraksi dengan N atom dinyatakan pada persamaan [2] :

    F adalah gaya yang dialami oleh atom i akibat atom j yang mana atom i 6= j.Untuk mengetahui posisi dan kecepatan atom i setelah mengalami gaya dari N

    atom lain maka diperlukan persamaan gerak Newton dalam persamaan [2] :

    mi massa atom partikel vi dan ri adalah kecepatan dan posisi atom i. Persamaan difer-ensial ini dalam paket program MOLDY dipecahkan secara numerik melalui algoritmaBeeman. Dari simulasi diatas dapat diperoleh posisi dan kecepatan dari masing -masingatom setiap saat. Dari mekanika statistik dapat dihubungkan kuantitas mikroskopikini dengan kuantitas makroskopik seperti temperatur, tekanan, Fungsi Distribusi Radial(RDF), Mean Square Displacement (MSD) dan lainnya. Dalam hal ini difokuskan padahasil perhitungan RDF. Hubungan antara temperatur dengan kuantitas mikroskopik di-atas adalah sebagai berikut, N adalah jumlah atom dalam simulasi, Nc jumlah constraint,k adalah konstanta Boltzmann dan vi adalah kecepatan atom i. Temperatur sistem dapatdiset sesuai sistem yang ditinjau.

    Persamaan Fungsi distribusi radial (RDF) dinyatakan pada persamaan [2] :

    Dimana adalah rapat atom , V(r) volume kulit bola pada jarak r. Fungsi distribusiradial g(r) merupakan ukuran untuk melihat sejauh mana atom-atom mengatur posisinyapada temperatur dan waktu tertentu, sehingga dapat dibedakan secara kualitatif apakahsuatu sistem dalam keadaan padat atau cair.

    4

    Simulasi Dinamika molekuler

    *** This document is proudly made using LATEX***

  • BAB IIPEMBAHASAN

    2.1 Pembahasan Grafik Energi

    Figure 1: Kurva Energi fasa gas dari Argon

    Figure 2: Kurva Energi fasa cair dari Argon

    5

    Simulasi Dinamika molekuler

    *** This document is proudly made using LATEX***

  • Figure 3: Kurva Energi fasa padat dari Argon

    Figure 4: Kurva Energi variasi 3 fasa Argon (gas, cair, dan padat)

    Energi intermolekuler yang juga disebut dengan energi potensial didefenisikansebagai perbedaan antara energi molekul dan juga penjumlahan energi kompleks molekulyang terpisah. Pada pemisahan tak terhingga, energy intermolekul adalah nol, dan ketikakedua molekul saling mendekati satu sama lain, energi intermolekul mulai menjadi neg-ative dan mulai mencapai keadaan keseimbangan jika mempunyai energy intermolekulterendah. Jika dua molekul ini saling mendekat maka energi intermolekulnya tidak lagimenjadi negative tetapi menjadi positif kembali (tolak-menolak). Untuk satu pasanganmolekul, potensial intermolekul adalah suatu fungsi orientasi relative terhadap jarak an-tara kedua pusat massa molekul.

    6

    Simulasi Dinamika molekuler

    *** This document is proudly made using LATEX***

  • Pada simulasi molekuler yang pertama ini diperoleh grafik energi senyawa Ar-gon pada fasa gas, solid dan liquid. Untuk senyawa Argon pada fasa gas, diperoleh grafikyang konstan. Energi potensial Argon pada fasa gas yaitu 0 kJ/mol dan tidak mengalamiperubahan dari waktu ke waktu. Pada fasa liquid, keadaan awal senyawa Argon memilikienergi potensial sebesar -2500 kJ/mol dan meningkat menjadi -2000 kJ/mol dalam waktusekitar 50 ps. Selanjutnya senyawa Argon dalam fasa liquid memiliki energi potensial yangtetap. Sedangkan pada fasa solid, keadaan awal senyawa Argon memiliki energi potensialsekitar -3000 kJ/mol kemudian menurun menjadi -3250 kJ/mol dalam waktu sekitar 25ps dan dalam waktu sekitar 150 ps, energi potensialnya turun menjadi -3500 kJ/mol. Halini disebabkan karena pada keadaan awal, senyawa Argon memiliki struktur yang tidakmerata. Kemudian dari waktu ke waktu, senyawa-senyawa Argon ini mulai menyusundirinya membentuk keteraturan menjadi kristal Argon. Setelah tersusun menjadi lebihteratur , energi yang dibutuhkan menjadi lebih rendah.

    2.2 Pembahasan Grafik mean square displacement (MSD)

    Figure 5: Kurva MSD fasa gas dari Argon

    7

    Simulasi Dinamika molekuler

    *** This document is proudly made using LATEX***

  • Figure 6: Kurva MSD fasa cair dari Argon

    Figure 7: Kurva MSD fasa padat dari Argon

    8

    Simulasi Dinamika molekuler

    *** This document is proudly made using LATEX***

  • Figure 8: Kurva MSD variasi 3 fasa Argon (gas, cair, dan padat)

    Kuantitas makroskopik lain yang penting