[Fisica delle particelle - Chimica] Collegamento

[gugoXX]

Per pura curiosita personale.
Quanto ne sappiamo delle relazioni tra il mondo microscopico e quello macroscopico?
Siamo in grado di estrapolare grandezze chimice macroscopiche a partire dalle costanti fondamentali del nostro universo?

Es: Sappiamo che la materia ordinaria e' formata da atomi, i quali a loro volta sono formati da un nucleo di protoni e neutroni e dalla nuvola elettronica, ordinata secondo gli studi degli orbitali della meccanica quantistica.
Per definire un atomo stabile e' quindi sufficiente dare 2 parametri, ovvero il numero di protoni (=numero di elettroni) e il tipo di isotopo, quindi il numero di neutroni.

E qui la mia prima domanda.
Dato p.es 17 come quantita' di protoni del cloro, esiste una formula/principio/algoritmo di simulazione che dato questo 17 riesce a calcolare quali sono i possibili isotopi del cloro?
Ma non usando formule empiriche. Usando solo la definizione delle 4 forze e le costanti fondamentali.
Esiste un modo che faccia uso solo delle costanti e della definizione delle forze rieasca quindi per dire l'isotopo con 17 protoni e 18 neutroni ha una vita media di (a caso) 20 miliardi di anni, mentre quello con 19 neutroni solo (di nuovo a caso) 1 milione di anni?

Poi proseguendo. Capire che tipo di atomo e' e che tipo di legami/molecole riesce a produrre dovrebbe essere abbastanza semplice perche' me lo ricordo anche io.
Studianto la struttura elettronica e l'orbitale libero si dovrebbe poter sapere il tipo di legame con i suoi simili e quindi il tipo di molecola di base.
(Es Cl2 covalente apolare)

Ma poi. data la molecola in questione, presa da sola, riusciamo a dedurre altre grandezze chimiche come la distanza media dei due nuclei e magari anche l'elettronegativita'?

Nel caso di molecole composte e complesse come per esempio quella dell'acqua, riusciamo a giustificare l'angolo di sfasamento di 104.45 gradi e la distanza tra i nuclei, sempre utilizzando metodi/simulazioni/formule che coinvolgano solo le costanti fondamentali e la definizione delle forze?

E poi, proseguendo con il discorso, riusciamo addirittura a dedurre grandezze chimiche macroscopiche, come temperatura di fusione/ebollizione? (fatta salva la loro precisa definizione)
E ancora, dato un corpo solido/fluido omogeneo composto tutto della stessa molecola, riusciamo a calcolare il suo spettro di riflessione di un onda elettromagnetica incidente avente una data frequenza, e quindi di conseguenza riusciamo a calcolare il colore che tale corpo avrebbe se colpito dalla luce solare e filtrato dalla banda dell'occhio di un uomo?
Sempre usando solo costanti fondamentali e la definizione delle forze.

[gigio2005]

la risposta e' SI a tutte le domande

[Hactor]

Come ha detto gigio2005 la risposta è sì a tutto quanto, anche se devi tener conto che a molte grandezze si è arrivati mediante misurazioni sperimentali, così come a molte deduzioni.

[CioKKoBaMBuZzo]

mi aggiungo al coro dei sì, aggiungendo che in particolare tutta la chimica si può derivare dalla QED, l'elettrodinamica quantistica

[Gargoyle]

Un fisico ti dirà senz'altro che tutto questo è certamente possibile.

Un chimico ti dirà di "no", seguito da una breve spiegazione.

In astratto, tutta la chimica (struttura delle molecole, reattività delle molecole, caratteristiche macroscopiche delle sostanze) è deducibile dalle equazioni fondamentali della fisica (anzi, basterebbe fermarsi alla meccanica quantistica relativistica, non c'è bisogno di scomodare le teorie di campo).
E' quello che sosteneva anche Dirac, uno dei più grandi fisici del secolo scorso.
In pratica, però, è attualmente impossibile predire certe quantità di interesse chimico a partire dalla fisica fondamentale: questo essenzialmente per limiti tecnologici che però ci sono e non vanno ignorati.
Tutti conti che vengono fatti in chimica oggigiorno si basano su semplificazioni della teoria fisica di base, semplificazioni più o meno drastiche e realistiche.

[Banus]

Originariamente inviato da gugoXX

Per pura curiosita personale.
Quanto ne sappiamo delle relazioni tra il mondo microscopico e quello macroscopico?
Siamo in grado di estrapolare grandezze chimice macroscopiche a partire dalle costanti fondamentali del nostro universo?

In teoria, sì. In pratica, i calcoli sono così complicati e i nostri strumenti matematici così limitati che nella quasi totalità dei casi non è possibile.
Considera che non è possibile neppure calcolare la massa delle particelle non elementari (adroni) a partire dai quark con un errore paragonabile a quello dei dati sperimentali.
Il calcolo della stabilità dei nuclei atomici o l'energia degli orbitali molecolari è effettuato con modelli semplificati e che spesso richiedono valori sperimentali: ad esempio, l'energia di legame del nucleo per il modello a goccia di liquido.
Se il modello non richiede parametri sperimentali è detto "ab initio". Tempo fa ho visto un modello simile usato per calcolare le energie degli orbitali dei singoli atomi, ma in alcuni casi l'errore era sufficiente a calcolare un diverso ordine di riempimento degli orbitali. Un altro esempio è il grafene, che secono i calcoli non avrebbe potuto avere forma piana stabile, contrariamente a quanto mostrato poi dagli esperimenti.

[gigio2005]

Originariamente inviato da Gargoyle

Un fisico ti dirà senz'altro che tutto questo è certamente possibile.

Un chimico ti dirà di "no", .

ma anche no


cio' che chiede l'utente (a grandi linee) e' quello che si fa tranquillamente (ad esempio) per calcolare le energie minime conformazionali e prevedere quindi la conformazione dei polimeri



....ad esempio....

[Gargoyle]

Originariamente inviato da gigio2005

ma anche no
cio' che chiede l'utente (a grandi linee) e' quello che si fa tranquillamente (ad esempio) per calcolare le energie minime conformazionali e prevedere quindi la conformazione dei polimeri
....ad esempio....

Ma davvero?

E tu come calcoli le energie minime conformazionali di, chessò, l'etanolo?
Con l'elettrodinamica quantistica? No davvero.
Con la meccanica quantistica relativistica? Neppure.
Con la meccanica quantistica "normale"? Ma neanche.

Lo fai con un metodo basato sulla meccanica quantistica (ma non è neppure detto) appositamente semplificato.
Anche i metodi che vengono detti "ab-initio" contengono parametri entranei alla teoria vera e propria (gli pseudopotenziali per gli elettroni di core, ad esempio) e nessuno (!) tiene conto della struttura composita del nucleo.

Se poi andiamo a parlare della dinamica molecolare delle proteine, si tratta di conti fatti tutti usando la meccanica classica addirittura.
Cioè si spostano le molecole con l'equazione di newton del XVII secolo, renditi conto...

[Zontar]

Originariamente inviato da Gargoyle

Se poi andiamo a parlare della dinamica molecolare delle proteine, si tratta di conti fatti tutti usando la meccanica classica addirittura.
Cioè si spostano le molecole con l'equazione di newton del XVII secolo, renditi conto...

Si ma qual è il problema ? se le previsioni concordano con i valori sperimentali è inutile scendere ad un livello di precisione migliore dove tralaltro spesso non puoi arrivare neanche a livello sperimentale...che senso ha considerare effetti di ordine inferiore ?
Calcoleresti la velocità di una macchina usando la relatività ?
Chiaramente questo non significa che non lo puoi fare (entro certi limiti), ma si evita di farlo perchè si è visto che il rapporto costi (tempo macchina)/benefici non è positivo.

Poi certo se vuoi calcolare lo stato fondamentale del benzil-2-metil-idrossibutirrato deidrogenasi partendo dalla QCD...ancora c'è molto da fare


Per quanto riguarda la domanda di gugoXX la risposta come tutti hanno scritto è si, ad esempio si usa il Metodo_di_Hartree-Fock.

Funziona abbastanza bene, non è perfetto (ma in fondo in Fisica cosa lo e' ?) e per "maneggiarlo" bisogna conoscerlo bene con tutti i suoi limiti (molti) quando puoi o soprattutto quando non puoi usarlo...

[Gargoyle]

Originariamente inviato da Zontar

Si ma qual è il problema ?

Nessuno.
Anzi, se si potessero davvero fare i conti creando algoritmi di calcolo basati tutti solo sulla teoria di base si perderebbe un po' di quell' "intuito chimico" che serve ancor oggi ad ogni chimico computazionale.
Ci trasformeremmo in informatici, insomma.

Volevo solo rimarcare che certe previsioni sperimentali non si fanno a partire dalla "teoria di base", bensì da teoria approssimate.
Ad esempio citi il metodo Hartree-Fock, e giustamente dici che "non è perfetto": ma non solo è un metodo iterativo, ma è anche proprio un metodo intrinsecamente approssimato che comunque anche se avessi a disposizione tutta la potenza computazionale del mondo mi porterebbe in certi casi a risposte sbagliate.

[entanglement]

occhio: SOLO la shell di H può essere risolta esattamente, già He richiede una lieve approssimazione.

in questo senso un approccio puramente computazionale non è intrinsecamente corretto, comunque si va a ragionare su approssimazioni successive. c'è l'approccio MO-LCAO, l'approccio discendente dall'approssimazione di Heitler-London, gli orbitali molecolari di frontiera...
senza contare che ci sono tuttora dubbi sulla costante di struttura iperfine

in particolare per la chimica organica un approccio puramente computazionale non è ancora capace di prevedere tutto. tocca ancora "sporcarsi il camice"

[Lucrezio]

Eccomi!!!

Originariamente inviato da CioKKoBaMBuZzo

mi aggiungo al coro dei sì, aggiungendo che in particolare tutta la chimica si può derivare dalla QED, l'elettrodinamica quantistica

Vero!
In realta' non serve scomodare la QED (di cui andrebbero presi i limiti per basse energie), basta la normalissima meccanica quantistica, per lo piu' non relativistica!
Gli effetti relativistici (in particolare quelli magnetici) si possono trattare con Hamiltoniani efficaci, anche se spesso a livello pratico e' tutt'altro che banale ottenere risultati davvero buoni, per problemi legati all'invarianza di Gauge e non solo.
Si riescono, tutto sommato, a simulare in modo ottimo le proprieta' NMR, mentre per lo stato solido credo che ci siano ancora dei grossi problemi - non e' il mio campo, non me ne intendo particolarmente!
La QED e' particolarmente efficacie per descrivere interazioni luce/materia (scattering elettrone fotone)... c'e' anche qualche ricercatore che sta indagando sulla violazione della parita' (forza elettrodebole) come fattore scatenante della chiralita' di molti substrati
L'applicazione delle teorie di campo quantistiche a sistemi chimici, e quindi alle basse energie, e' sicuramente un campo interessante della chimica teorica moderna

Originariamente inviato da Gargoyle

Un fisico ti dirà senz'altro che tutto questo è certamente possibile.

Un chimico ti dirà di "no", seguito da una breve spiegazione.

In astratto, tutta la chimica (struttura delle molecole, reattività delle molecole, caratteristiche macroscopiche delle sostanze) è deducibile dalle equazioni fondamentali della fisica (anzi, basterebbe fermarsi alla meccanica quantistica relativistica, non c'è bisogno di scomodare le teorie di campo).
E' quello che sosteneva anche Dirac, uno dei più grandi fisici del secolo scorso.
In pratica, però, è attualmente impossibile predire certe quantità di interesse chimico a partire dalla fisica fondamentale: questo essenzialmente per limiti tecnologici che però ci sono e non vanno ignorati.
Tutti conti che vengono fatti in chimica oggigiorno si basano su semplificazioni della teoria fisica di base, semplificazioni più o meno drastiche e realistiche.

Esistono anche i metodi ab initio, che di semplificazioni non ne introducono Ce ne sono di piu' o meno precisi, piu' o meno costosi
Beh, il discorso "limite tecnologico" e' tutt'ora "in fieri"
Ci sono gruppi che fanno simulazioni su sistemi con una decina di migliaia di atomi, sfruttando tecniche di linear scaling applicate al DFT, con risultati molto buoni
Invece l'interpretazione dell'equazione di Dirac come equazione di schroedinger relativistica non e' del tutto corretta - la strada giusta da seguire e' proprio quella della quantizzazione di campo.
Sto iniziando a studiare queste cose proprio in questi giorni, a breve maggiori dettagli



Invito comunque tutti a dare un'occhiata al thread sulla ricerca scientifica con il calcolo distribuito, dove qualche idea di chimica teorica classica si puo' trovare


P.S.: "attualmente" nel senso di "praticamente" e' un inglesismo che uso un sacco anch'io Deformazione professionale

[Lucrezio]

Originariamente inviato da entanglement

occhio: SOLO la shell di H può essere risolta esattamente, già He richiede una lieve approssimazione.

in questo senso un approccio puramente computazionale non è intrinsecamente corretto, comunque si va a ragionare su approssimazioni successive. c'è l'approccio MO-LCAO, l'approccio discendente dall'approssimazione di Heitler-London, gli orbitali molecolari di frontiera...
senza contare che ci sono tuttora dubbi sulla costante di struttura iperfine

in particolare per la chimica organica un approccio puramente computazionale non è ancora capace di prevedere tutto. tocca ancora "sporcarsi il camice"

Su molecole non troppo grandi si riesce a prevedere quasi tutto, dai!
Fai un CCSD(T)/aug-cc-pVTZ con estrapolazione a completezza e voglio vedere cosa ti scappa

[Lucrezio]

Originariamente inviato da Gargoyle

Volevo solo rimarcare che certe previsioni sperimentali non si fanno a partire dalla "teoria di base", bensì da teoria approssimate.
Ad esempio citi il metodo Hartree-Fock, e giustamente dici che "non è perfetto": ma non solo è un metodo iterativo, ma è anche proprio un metodo intrinsecamente approssimato che comunque anche se avessi a disposizione tutta la potenza computazionale del mondo mi porterebbe in certi casi a risposte sbagliate.

Questo e' vero: l'Hartree Fock (su cui trovate un post dettagliato nel thread in rilievo sul calcolo distribuito) e' un metodo a particelle indipententi, che non potra' mai prendere l'energia di correlazione!
Pero' la Chimica Teorica e' andata un bel po' avanti! Coupled Cluster, MPn, Quantum Montecarlo... o DFT, per andare sui metodi semiempirici funzionano molto, molto meglio

[Gargoyle]

Originariamente inviato da Lucrezio

Esistono anche i metodi ab initio, che di semplificazioni non ne introducono Ce ne sono di piu' o meno precisi, piu' o meno costosi
Beh, il discorso "limite tecnologico" e' tutt'ora "in fieri"
Ci sono gruppi che fanno simulazioni su sistemi con una decina di migliaia di atomi, sfruttando tecniche di linear scaling applicate al DFT, con risultati molto buoni

Credo che anche i migliori algoritmi comunemente in uso non considerino effetti relativistici (o meglio, al più considereranno gli effetti relativistici come perturbazioni, che non è la cosa più rigorosa da fare almeno per come la intende l'autore di questo thread).
Comunque, anche a voler glissare su questo, resta il fatto che calcoli full-CI su sistemi di medie dimensioni (40-50 atomi) non credo ne esistano, ad oggi.
Il che porta al solito problema: per fare certi conti si usano metodi approssimati.

Anche l'ottimo DFT, per quanto riproduca bene certe grandezze, è da molti considerato un metodo semiempirico visto che non esiste una espressione analitica per il potenziale di scambio-correlazione.

Infine resta l'annosa questione di simulare eventi dipendenti dal tempo a temperature non nulle: da quel che vedo fare io (magari ho una visione limitata delle cose io, per carità) chiunque voglia simulare una reazione chimica fa uso di dinamica molecolare sostanzialmente basata sulla meccanica classica (ed anche la dinamica car-parrinello si limita a considerare effetti quantistici solo per gli elettroni di valenza).

Originariamente inviato da Lucrezio

Invece l'interpretazione dell'equazione di Dirac come equazione di schroedinger relativistica non e' del tutto corretta - la strada giusta da seguire e' proprio quella della quantizzazione di campo.

Lo so, però sconfinare nelle teorie di campo mi sembra un tantino eccessivo per gli scopi della chimica teorica.
E, dopotutto, l'equazione di dirac storicamente è nata proprio come equazione d'onda relativistica, nel complesso non mi sembra un orrore trattarla come tale.

[entanglement]

Originariamente inviato da Lucrezio

Su molecole non troppo grandi si riesce a prevedere quasi tutto, dai!
Fai un CCSD(T)/aug-cc-pVTZ con estrapolazione a completezza e voglio vedere cosa ti scappa

mi è sfuggito qualcosa ...

è ancora meglio "sporcarsi il camice" all'atto pratico...

poi con la crescita della potenza di calcolo si possono ottenere cifre sempre più verosimili, ok ma sull'applicazione non esiste imprenditore chimico che non cerchi un chimico old school

[Lucrezio]

Originariamente inviato da Gargoyle

Credo che anche i migliori algoritmi comunemente in uso non considerino effetti relativistici (o meglio, al più considereranno gli effetti relativistici come perturbazioni, che non è la cosa più rigorosa da fare almeno per come la intende l'autore di questo thread).
Comunque, anche a voler glissare su questo, resta il fatto che calcoli full-CI su sistemi di medie dimensioni (40-50 atomi) non credo ne esistano, ad oggi.
Il che porta al solito problema: per fare certi conti si usano metodi approssimati.

Anche l'ottimo DFT, per quanto riproduca bene certe grandezze, è da molti considerato un metodo semiempirico visto che non esiste una espressione analitica per il potenziale di scambio-correlazione.

Infine resta l'annosa questione di simulare eventi dipendenti dal tempo a temperature non nulle: da quel che vedo fare io (magari ho una visione limitata delle cose io, per carità) chiunque voglia simulare una reazione chimica fa uso di dinamica molecolare sostanzialmente basata sulla meccanica classica (ed anche la dinamica car-parrinello si limita a considerare effetti quantistici solo per gli elettroni di valenza).


Lo so, però sconfinare nelle teorie di campo mi sembra un tantino eccessivo per gli scopi della chimica teorica.
E, dopotutto, l'equazione di dirac storicamente è nata proprio come equazione d'onda relativistica, nel complesso non mi sembra un orrore trattarla come tale.

Sul fatto che il DFT sia Semiempirico mi trovi perfettamente d'accordo
Forse la piu' elegante delle teorie con le piu' culinarie e sporche delle applicazioni - e ti parla uno che il DFT l'ha studiato con Colle ( ) (quello del funzionale di Colle-Salvetti, piu' noto come LYP, per intendersi)!
Mi riferivo, per i metodi ab-initio, al Coupled Cluster, ai metodi perturbativi, al montecarlo!

Riguardo ai calcoli relativistici, se non sbaglio il programma "Dirac" implementa alcuni metodi di quantum chemistry a livello pienamente relativistico (formalismo quadridimensionale e via dicendo), e' questione di tempo


Per quanto riguarda il discorso simulazioni, invece, non e' proprio il mio campo. Ho fatto un corso (incidentalmente, con Parrinello ), ma non ci ho capito troppo

Originariamente inviato da entanglement

mi è sfuggito qualcosa ...

è ancora meglio "sporcarsi il camice" all'atto pratico...

poi con la crescita della potenza di calcolo si possono ottenere cifre sempre più verosimili, ok ma sull'applicazione non esiste imprenditore chimico che non cerchi un chimico old school

E' lo "standard dorato" della chimica teorica
Comunque non mi dire cosi', io mi sto laureando in chimica ad indirizzo teorico ed inizio gia' a pensare che da grande faro' il disoccupato...

[lowenz]

No, da bravo normalista farai il professore nelle altre università

[entanglement]

Originariamente inviato da Lucrezio

Sul fatto che il DFT sia Semiempirico mi trovi perfettamente d'accordo
Forse la piu' elegante delle teorie con le piu' culinarie e sporche delle applicazioni - e ti parla uno che il DFT l'ha studiato con Colle ( ) (quello del funzionale di Colle-Salvetti, piu' noto come LYP, per intendersi)!
Mi riferivo, per i metodi ab-initio, al Coupled Cluster, ai metodi perturbativi, al montecarlo!

Riguardo ai calcoli relativistici, se non sbaglio il programma "Dirac" implementa alcuni metodi di quantum chemistry a livello pienamente relativistico (formalismo quadridimensionale e via dicendo), e' questione di tempo


Per quanto riguarda il discorso simulazioni, invece, non e' proprio il mio campo. Ho fatto un corso (incidentalmente, con Parrinello ), ma non ci ho capito troppo



E' lo "standard dorato" della chimica teorica
Comunque non mi dire cosi', io mi sto laureando in chimica ad indirizzo teorico ed inizio gia' a pensare che da grande faro' il disoccupato...

ti lamenti ? se cerchi lavoro in danimarca, germania, inghilterra o america ti mettono il tappeto rosso.

e vai in posti dove le fighette:
1 sono gran gnocche in media
2 se la tirano di meno
3 dopo una pinciata non ti presentano ai genitori !

[lowenz]

Dipende da quanto tali aziende dal tappeto rosso erano legate alle banche andate in crisi