Limity přesnosti kvantově-mechanických metod pro popis molekulární adsorpce

• Název práce v češtině: Limity přesnosti kvantově-mechanických metod pro popis molekulární adsorpce
• Název v anglickém jazyce: Towards understanding the accuracy of quantum mechanical methods for the description of molecular adsorption
• Klíčová slova: Ab initio methody, van der Waalsovy síly, teorie funkcionálu hustoty, adsorpce
• Klíčová slova anglicky: Ab initio methods, van der Waals interactions, density functional theory, adsorption
• Akademický rok vypsání: 2017/2018
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Katedra chemické fyziky a optiky (32-KCHFO)
• Vedoucí / školitel: Mgr. Jiří Klimeš, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 20.09.2017
• Datum zadání: 20.09.2017
• Datum potvrzení stud. oddělením: 06.10.2017

Zásady pro vypracování

Tématem práce bude studium interakcí s povrchy pomocí různých kvantově-chemických metod, od těch jednoduchých, založených na teorii funkcionálu hustoty, až po pokročilé, založené na poruchové teorii. Cílem bude pochopení toho, jak závisí přesnost těchto metod pro popis adsorpce, především pro popis adsorpční energie, na chemické povaze substrátu a molekuly. Získaná data nám umožní zhodnotit nedávno vyvinuté slibné metody, jakož i metody, které se v současnosti obvykle používají. Odhalení slabin různých metod nám umožní rozpoznat ty, které jsou vhodné pro vyhodnocování experimentálních dat.

Student se nejprve seznámí se současnými metodami používanými pro popis periodických systémů a pro velmi přesné výpočty energií konečných klastrů, s jejich výhodami a nevýhodami, a to pomocí rešerše vědecké literatury a výpočtů pro modelové systémy. Získané dovednosti použije pro vytvoření setu referenčních adsorpčních energií, které budou použity pro zhodnocení a pochopení přesnosti jednodušších metod. Slibné metody budou dále použity pro porovnání s experimentálními daty.

Seznam odborné literatury

N. Ostlund, A. Szabo: Modern Quantum Chemistry, McGraw-Hill Inc. New York, 1989
W. Yang, J. A. Parr: Density Functional Theory, Wiley, NY, 1998
I. Shavitt, R. J. Bartlett: Many-body Methods in Chemistry and Physics, Cambridge University Press, Cambridge, 2009
F. Manby (ed.): Accurate Condensed-Phase Quantum Chemistry, CRC Press, 2010
A. Stone: The Theory of Intermolecular Forces, Oxford University Press, 2013
V. Brazdova, D.R. Bowler: Atomistic Computer Simulations: A Practical Guide, Wiley, 2013

Předběžná náplň práce

O přesnosti kvantově-chemických metod pro popis interakcí mezi organickými molekulami je toho hodně známo. Pro vysoce přesné výpočty je možné použít metodu kaplovaných klastrů na úrovni CCSD(T), případně výpočetně méně náročnější, a také méně přesnou, metodu MP2. Navzdory obrovskému pokroku v implementaci těchto metod pro periodické systémy a ve snižování jejich výpočetní náročnosti je použití těchto metod pro rutinní studium periodických systémů stále vzdálené. Pro problémy, jako je například popis adsorbce na površích se proto v současnosti používají více přibližné metody. Pochopení toho, jaké jsou jejich hranice použití a toho, jakou přesnost můžeme čekat pro daný systém, je v současnosti možné vpodstatě jen přímým porovnáním s experimentálními daty. Nepřesnosti v experimentálních datech, které mají různé příčiny, jakož i časté zanedbání vlivů teploty a kvantového chování jader zhoršují možnost kvantitativního porovnání. Metody, které byly vyvinuty nedávno, dosahují často již takové přesnosti, že jejich předpovědi leží v rámci experimentálních dat daným experimentálními chybami. Tudíž není dost dobře možné jejich přesnost pomocí experimentálních dat zhodnotit. Abychom mohli poznat hranice přesnosti různých metod, vypočteme adsorpční energie pomocí vysoce přesných kvantově-chemických metod pro klastry atomů vyříznuté z povrchu. Pokud má být metoda použitelná pro adsorpci na nekonečném povrchu, měly by být její výsledky přesné i pro adsorpci na jeho části. Výpočet adsorpčních energií pro rostoucí velikost klastru nám navíc dovolí přiblížit se limitě nekonečného systému. Získaná data budou velmi cenná pro pochopení přesnosti metod, které se v současnosti používají pro studium adsorpce, a také nově vyvinutých metod. Metody, které se prokážou jako spolehlivé dále použijeme pro studium zajímavých a důležitých systémů.

Projekt vyžaduje znalosti na úrovni ukončeného magisterského studia ve fyzikálních nebo chemických oborech, dobrá znalost programování a skriptování je užitečná.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

A lot of knowledge has been accumulated concerning the accuracy of quantum chemical methods for the description of organic matter in general, and interactions between molecules in particular. The coupled cluster scheme with singles, doubles, and perturbative triples corrections (CCSD(T)) represents the gold standard to obtain binding energies while the Moller-Plesset perturbation theory in the second order is often used as a cheap alternative. Despite the tremendous progress in increasing the applicability of these methods in the past decade, these methods are still very far from being routinely applicable for the description of molecular adsorption in extended systems. Hence, more approximate methods are needed and used. Assessing their limits is then, unfortunately, mostly limited to the comparison to experimental data. Uncertainties in the values of the adsorption energy arising from non-ideal surfaces, clustering of molecules and the temperature and quantum nuclear effects make comparisons difficult. Moreover, recently developed methods lead to values that lie within the experimental error bars and their accuracy can't be then properly assessed. To be able to understand the limits of the recently developed methods, we will employ the accurate finite cluster based methods and obtain reference data for adsorption energies on clusters taken out of the surface. If the method is to work well for the surface, it needs to be able to describe the cluster as well. Moreover, assembling data for increasingly large clusters will allow us to go towards the limit of the infinite system. The data will be invaluable for understanding the limits of currently widely used methods as well as of newly developed approaches. This will enable us to provide reliable predictions of adsorption energies for systems of wide current interest.

The project requires knowledge of quantum mechanics on Master's level in physical or chemical sciences, working knowledge of programming and scripting is beneficial.