História da química computacional e do uso dos computadores em química

Abstract

Resumo

Os computadores são omnipresentes na sociedade atual e são usados por todos em química de forma rotineira para escrever, desenhar estruturas, fazer pesquisas e comunicar, entre outras atividades. Mas em química, os computadores têm um papel mais profundo, havendo uma área de investigação conhecida como “química computacional”. A história desta área confunde-se, em parte, com a história da química quântica, mas os computadores são uma parte fundamental do seu sucesso. Só com os computadores se tornou possível fazer cálculos de estrutura eletrónica com números muito grandes de eletrões e átomos. Estes cálculos envolvem milhões de operações matemáticas que só esta ferramenta tornou realizáveis em tempo útil. Muitas vezes são também os aspectos computacionais que vão condicionar e fazer avançar este tipo de cálculos. Exemplos disso são as bases de funções que são atualmente de tipo Gaussiano quando se esperaria que fossem outro tipo de funções. Por outro lado, os resultados destes cálculos e as suas simplificações vão contribuir para as teorias e modelos atualmente existentes. Ao mesmo tempo, a realização de elevados números de cálculos ao mesmo tempo e a presença de grandes matrizes, deu origem à vetorização e à paralelização e aos métodos numéricos e de programação associados. A necessidade de catalogar grandes números de moléculas, reações químicas e dados (patentes, relatórios, artigos e outros), deu origem aos primeiros bancos de dados científicos. Por outro lado, a necessidade de representar grandes quantidades de moléculas originará novas formas de representação, apropriadas aos computadores. Paralelamente, a visualização da estrutura das moléculas terá grande avanço com os computadores. Não só a representação de grandes quantidades de dados se tornou possível, mas a animação dos movimentos moleculares vieram trazer um aspecto novo. Para além das metodologias de representação, temos hoje em dia acesso às ferramentas da realidade virtual e realidade aumentada. Estas ferramentas permitem abordagens ainda mais gerais, nomeadamente no ensino. Atualmente, os equipamentos laboratoriais são também quase todos controlados por computador, sendo os seus resultados tratados e analisados de forma computacional, ou como auxiliar, ou de forma mais profunda, recorrendo a redes neuronais e inteligência artificial. Paralelamente a isto, far-se-á uma breve referência à história do ensino desta matéria nas universidades  de Portugal e Brasil.   

Palavras-chave: computadores, estrutura eletrónica, simulação computacional, ensino da química computacional

Abstract

Computers are ubiquitous in today's society and are routinely used by everyone in chemistry to write, design structures, do research, and communicate, among other activities. But in chemistry, computers play a deeper role, with an area of ​​investigation known as “computational chemistry”. The history of this field is, in part, intertwined with the history of quantum chemistry, but computers are a fundamental part of its success. Only with computers was it possible to make calculations of electronic structure with very large numbers of electrons and atoms. These calculations involve millions of mathematical operations that only this tool has made possible in a timely manner. Often, it is also the computational aspects that are conditional and advance these types of calculations. Examples of this are the bases of functions that are actually Gaussian in type when you would expect them to be other types of functions. On the other hand, the results of these calculations and their simplifications will contribute to the currently existing theories and models. At the same time, the performance of large numbers of calculations at the same time and the presence of large matrices gave rise to vectorization and parallelization and the associated numerical and programming methods. The need to catalog large numbers of molecules, chemical reactions, and data (patents, reports, articles, and others) gave rise to the first scientific databases. On the other hand, the need to represent large numbers of molecules will give rise to new forms of representation, suitable for computers. At the same time, the visualization of the structure of molecules will have a great advance with computers. Not only did the representation of large amounts of data become possible, but the animation of molecular movements brought a new aspect. In addition to representation methodologies, we still have access to virtual reality and augmented reality tools. These tools allow even more general approaches, particularly in teaching. Currently, laboratory equipment is also almost all computer-controlled, and its results are processed and analyzed in a computational way, either as an aid or in a more profound way, using neural networks and artificial intelligence. In parallel  to this, a brief reference is made to the teaching of Computational Chemistry in the Universities of Portugal and Brazil.

Keywords: Computers, Electronic structure, Computational simulation