Physical Chemistry: The Simple Hückel Method (Part II)

In the previous article, we have learned how to set up the Hückel determinant for an aromatic molecule based on the topology of the pi-bonds. In this second part, we are going to learn how to calculate from the determinantal equation both the eigenvalues and the eigenvectors, corresponding to the orbital energy and orbital functions of the molecular system.

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A Practical Introduction to the C Language for Computational Chemistry. Part 3

Sphere. From Space, from Space, Sir: whence else?

Square. Pardon me, my Lord, but is not your Lordship already in Space, your Lordship and his humble servant, even at this moment?

Sphere. Pooh! what do you know of Space? Define Space.

Square. Space, my Lord, is height and breadth indefinitely prolonged.

Sphere. Exactly: you see you do not even know what Space is. You think it is of Two Dimensions only; but I have come to announce to you a Third — height, breadth, and length.

Square. Your Lordship is pleased to be merry. We also speak of length and height, or breadth and thickness, thus denoting Two Dimensions by four names.

Sphere. But I mean not only three names, but Three Dimensions.

Adapted from: 
Flatland: A romance of many dimensions by Edwin A. Abbott

ADVENTURE IN SPACELAND

In part 2 of this tutorial, we have learned how to use arrays and how to read atomic coordinates from a file. In the appendix, you can find an example of the solution to the exercises given in the previous tutorial.

In this third part, we are going to learn how to generate three-dimensional coordination of atoms in a cubic crystal lattice and how to calculate non-bonded molecular potential and the force acting among them.

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A Practical Introduction to the C Language for Computational Chemistry. Part 2

In the first part of this introduction to C language, we have learnt the basic of the C language by writing simple programs for the calculation of the non-bonded interaction between two particles at variable distances. Some solutions to the first part exercises are reported in the appendix of this article.

In this second tutorial, we will learn how to use arrays data types and how to load them with a set of data read from a file. We will also use these data to perform numerical calculations and write results in output files.

Arrays and Pointers Datatypes

The program that calculate the energy of interaction between two particle doe not take in account the actual position in space of the two particle but only their distance. If we want to study the dynamics of a system composed by multiple atoms in a tridimensional space, it is way more convenient to represent the and calculate their interactions by using the coordinates directly to evaluate the distances.

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The Dandelion (Taraxacum Officinalis) and OpenCV

The dandelion’s pallid tube
Astonishes the grass,
And winter instantly becomes
An Infinite Alas —

The tube uplifts a signal Bud
And then a shouting Flower, —
The Proclamation of the Suns
That septulture is o’er.

– Emily Dickinson

The yellow flowers and the delicate and beautiful inflorescence of Dandelion catch the attention of both romantic and curious souls. The aerial consistency of the fine silk decorated seeds that glance to the sunlight as crystalline material became the favorite subject of the inspired photographers and the toy of amused children. Besides the grace of its forms, other interesting and the curious secret is hidden in its phloem fluids. In fact, if you cut one of the stems of the plant, a milky, sticky liquid will flow out of the wound resection. This latex is going to polymerize at 30-35 oC in a few minutes in a yellow-brown quite solid mass. Around the year 1982, I have annotated this observation but I could not find in my later notes further follow-ups study on the topics. It was a casual observation but I didn’t know at that time that this latex is indeed very useful. A variety of the Taraxacum (Taraxacum koksaghyz, Russian Dandelion) was used in Russian and American to produce a replacement of the natural rubber from Brazil during WWII that was in shortage because of the war. Nowadays, many studies are in progress to exploit the lattice of Taraxacum and also Taraxacum brevicorniculatumas a convenient replacement of the rubber plant lattice. A recent study has shown the presence of rubber particles in the lattice of these plants in 32% proportion composed prevalently by poly(cis-1,4-isoprene) at >95% of purity (www.biomedcentral.com/1471-2091/11/11). The brownish lattice condensate that, as I reported in my note, forms after exposing for several minutes the latex to the air, is caused by the presence of the polyphenol oxidase (PPO) enzyme that produces the fast coagulation of the latex by catalyzing the oxidation of polyphenols. Genetic engineer the plant, it is possible to reduce the amount of PPO in the latex making economically competitive the use of this resource for the production of latex.

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Chimica Fisica: La Termodinamica, La Meravigliosa Cattedrale Della Scienza. Parte I.

Indipendentemente dai motivi del culto, le antiche cattedrali invitano ad un’ammirata contemplazione, ispirano rispetto e quiete. Anche il visitatore più disinvolto non si esimere dal moderare la voce, non insiste in argomenti futili: delle navate, l’eco delle sue stesse parole sembra destare insolite suggestioni. L’impegno di generazioni di architetti e di artigiani e’ stato dimenticato, le loro impalcature sono state rimosse ormai da lungo tempo, i loro stessi errori sono stati cancellati dai secoli. Il monumento che essi crearono, ora compiuto e perfetto, ci appare come la testimonianza di un disegno sopraordinario. Se evochiamo in noi il ricordo di un cantiere in attività, con il rumore ritmato dei martelli, le voci ed i gesti degli operai, l’odore stantio del legno e di tabacco, alle splendide structure che ora ammiriamo non possiamo attribuire altro significato che quello di essere il frutto di un ordine imposto alla mera fatica umana.

Anche la scienza ha i suoi templi, costruiti con gli sforzi di pochi architetti e di molto operai, e di fronte ad essi proviamo lo stesso sentimento. Anche in questi templi l’atmosfera e’ solenne, e forse lo e’ a tal punto da condizionare l’espressione stessa del pensiero scientifico, che una lunga tradizione vuole assai severo e formale.

G.N. Lewis, M. Randall -“Thermodinamica”, Leonardo Edizioni Scientifiche, Roma (1971).

INTRODUZIONE

Gilbert Newton Lewis e Merle Randall nella introduzione alla prima edizione del loro autorevole testo di termodinamica chimica descrivono  la termodinamica come la cattedrale della scienza. La loro non è solo una concessione poetica di un’epoca ancora permeata dal romanticismo scientifico, ma una meravigliosa analogia per questa fondamentale disciplina della scienza che più di ogni altra contiene  le leggi arcane che goverano il nostro Universo e il suo destino.

In questa serie di articoli riporto alcuni appunti su argomenti vari di termodinamica chimica che possono essere utili come riferimento o come materiale didattico.

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Molekulare Maschinen: Die Coronavirus SARS-CoV-2 Bedrohung, Teil I.

Was Freunde mit und für uns tun, ist auch ein Erlebtes; denn es stärkt und fördert unsere Persönlichkeit. Was Feinde gegen uns unternehmen, erleben wir nicht, wir erfahren’s nur, lehnen’s ab und schützen uns dagegen wie gegen Frost, Sturm, Regen und Schloßenwetter oder sonst äußere Übel, die zu erwarten sind.

Johann Wolfgang von Goethe (1749-1832), Maximen und Reflexionen. Aphorismen und Aufzeichnungen.

Ein Virus ist Leben in der einfachsten Form. Es ist die minimalistische Reduktion eines Organismus auf seine wesentlichen Funktionselemente. Noch pragmatischer ist ein Virus ein Behälter mit genetischem Code mit einem effizienten molekularen Mechanismus, der es ihm ermöglicht, in eine Wirtszelle eines Organismus einzudringen, der sich selbstständig reproduzieren kann. Als molekulare Maschine kann ein Virus der Form und der zerstörerischen Kraft des Todessterns in der Star-Wars-Saga ähneln. Daher ist es eine Art molekulare Maschine, die wir absolut nicht in uns haben wollen!

Wie der große Goethe sagt, ist der Feind Teil unserer Erfahrung und wir müssen ihn jagen und uns tatsächlich vor anderen möglichen Feinden schützen. Dieser epische Naturkrieg veranlasste mich, diesen Blog zu starten, in dem ich mitteilen werde, was ich über diese gefährliche molekulare Maschine lerne.

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Le Macchine Molecolari: La minaccia del Coronavirus SARS-CoV-2. Parte I

Difficilmente è vinto colui che sa conoscere le forze sue e quelle del nemico.

Nicollò Machiavelli in Dell’arte della guerra (1519-1520)

Un virus è la vita nella forma più semplice. È la riduzione minimalista di un organismo ai suoi elementi essenziali di funzionalità. Più pragmaticamente, un virus è un contenitore di codice genetico dotato di un efficiente meccanismo molecolare che gli consente d’invadere una cellula ospite di un organismo capace di riprodursi autonomamente. Come macchina molecolare, un virus può assomigliare nella forma e potere distruttivo, alla Morte Nera della saga di Star Wars. Pertanto, è un tipo di macchina molecolare che non vogliamo assolutamente avere dentro di noi!

La diffusione del coronavirus SARS-CoV-2 (COVID-19) ha prodotto una nuova pandemia, ovvero una infezione causata da un agente patogeno che colpisce l’intera popolazione di una specie vivente, in questo caso quella umana. Questa situazione di emergenza globale è il risultato di una competizione naturale tra specie viventi che ci rammenta di essere ancora un tassello nell’ecosistema di Gaia. Tuttavia, anche se sia sempre arduo da credere visto lo stato in cui abbiamo ridotto il nostro pianeta, siamo la forma di vita più intelligente nell’universo conosciuto. Quindi sarebbe abbastanza imbarazzante essere sconfitti da un nemico invisibile.

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Retro programming nostalgia IV: L’Equilibrio e la Titolazione Acido/Base

La motivazione per questo articolo nasce dal mio interesse per il retro-computing connesso, da una parte, alla rivalutazione delle mie esplorazioni giovanili del calcolo scientifico in linguaggio BASIC e dall’altra, alla popolarità che, negli ultimi anni, stanno avendo nel settore amatoriale e della didattica i microcomputer su scheda singola  (single-board computer, quali, per esempio  il Raspberry Pi).  Questi piccoli computer hanno una potenza considerevolmente maggiore a un costo decisamente inferiore dei microcalcolatori degli anni 80. Questo ha reso possibile l’emulazione su questi calcolatori dei sistemi operativi di mitici modelli di home computer della Commodore e i modelli MSX.

Pertanto sta prendendo piede anche un rinnovato interesse nel linguaggio di programmazione BASIC. Questo interesse nel retro-computing riflette la nostalgia nelle grandi emozioni che negli anni 70-80 lo sviluppo della tecnologia informatica consumistica ha portato alla mia generazione. Ricordo che rimasi folgorato dalla creatività nell’uso e nella programmazione di questi microcomputer al punto che ha ridiretto i miei interessi scientifici e la mia carriera accademica. 

Ho raccontato in altri articoli delle mie prime avventure di programmazione con  home computer della Commodore e i sistemi MSX alla fine degli anni ’80 e inizi degli anni ’90 e delle mie riscoperte di archeologia informatica. Tra i reperti ho rinvenuto un piccolo programma che ho usato per studiare le titolazioni acido/base sviluppato in MSX BASIC. Pertanto ho colto l’occasione per scrivere delle note sull’equilibrio acido base  e la titolazione e quindi fornire una versione restaurata e migliorate del mio programma, a gli studenti appassionati di programmazione  che sono  alle prese con questo importante concetto della chimica analitica.

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Modelling Natural Shapes: (Easter) Eggs 2020

One year ago, I wrote an article about the modelling of the egg shapes, promising at one point to come back on the topics. A next step in studying eggs shapes is to look to real one or a copy of it. A happy occasion for experimenting with the model using three-dimensional graphics and 3d Printing! That is a natural indeed step: take half of the symmetric curve representing the egg shape

y=T(1+x)^{\frac{\lambda}{1+\lambda}}(1-x)^{\frac{1}{1+\lambda}},

where T and \lambda are two parameters, and rotate it around the central axis

\begin{aligned} x'&=&x\\ y' &=&y*cos(\theta) \\ z' &=& y*sin(\theta) \end{aligned}

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