Neaditivní mezimolekulární interakce
| Název práce v češtině: | Neaditivní mezimolekulární interakce |
|---|---|
| Název v anglickém jazyce: | Non-additive intermolecular interactions |
| Klíčová slova: | mezimolekulární interakce|ab initio|kvantová mechanika |
| Klíčová slova anglicky: | intermolecular interactions|ab initio|quantum mechanics |
| Akademický rok vypsání: | 2021/2022 |
| Typ práce: | bakalářská práce |
| Jazyk práce: | angličtina |
| Ústav: | Katedra chemické fyziky a optiky (32-KCHFO) |
| Vedoucí / školitel: | Mgr. Jiří Klimeš, Ph.D. |
| Řešitel: | skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd. |
| Datum přihlášení: | 06.05.2022 |
| Datum zadání: | 06.05.2022 |
| Datum potvrzení stud. oddělením: | 21.08.2023 |
| Datum a čas obhajoby: | 05.09.2023 09:00 |
| Datum odevzdání elektronické podoby: | 20.07.2023 |
| Datum odevzdání tištěné podoby: | 20.07.2023 |
| Datum proběhlé obhajoby: | 05.09.2023 |
| Oponenti: | RNDr. Martin Žonda, Ph.D. |
| Zásady pro vypracování |
| Cílem práce implementovat a otestovat pokročilé funkce popisující sílu vazby mezi atomy nebo molekulami, zejména takové, které nejdou popsat pomocí párových interakcí (funkce zahrnující pouze polohy dvou atomů).
1) Nastudování literatury (ab initio výpočty, interakční potenciály), seznámení se s výpočetními programy. 2) Implementace různých forem mezimolekulárních potenciálů. 3) Otestování kvality metod na dostupných a vlastních datech. 4) Sepsání práce a prezentace výsledků. |
| Seznam odborné literatury |
| A. Stone: The Theory of Intermolecular Forces, Oxford U. Press, Oxford 2011
Časopisecká literatura, např: M. Riera, E. P. Yeh, F. Paesani: Data-Driven Many-Body Models for Molecular Fluids: CO2/H2O Mixtures as a Case Study, J. Chem. Theory Comput. 2020, 16, 4, 2246–2257 J. Behler: Four Generations of High-Dimensional Neural Network Potentials, Chem. Rev. 2021, 121, 16, 10037–10072 |
| Předběžná náplň práce |
| Interakce (vazby) mezi molekulami rozhodují udávají vlastnosti jejich kondenzovaných fází, tedy například teplotu tání, krystalovou strukturu pevné fáze, atd.
Vypočítat velmi přesně síly vazeb mezi molekulami pomocí kvantové mechaniky je výpočetně náročné a většinou nemožné pro větší shluky molekul. Jednou z alternativ je použít pro popis vazeb mezimolekulové potenciály. Těchto je několik druhů. Jedněmi z nejvíce využívaných jsou obecné potenciály používané pro popis biomolekul. Jejich jednoduché tvary zaručují vysokou rychlost, ovšem většinou silně klesá kvalita popisu síly vazeb. Jiné modely se fitují na referenčních datech obdržených pomocí vysoce přesných metod založených na kvantové mechanice. Při volbě vhodné modelové funkce je možné dosáhnout vysoké přesnosti. Největší výhoda spočívá v popisu neaditivních interakcí, které se často u obecných potenciálů nepopisují. Tedy interakcí, kdy přítomnost třetí molekuly mění interakci mezi dvěma jinými molekulami. Toto je časté pro elektrostatické interakce, ale i pro složitější vazby, jako například van der Waalsovy interakce. Cílem je otestovat a implementovat jednoduché modely, které by s vysokou přesností popisovaly neaditivní interakce v klastrech molekul a molekulárních krystalech. Toto by pomohlo podstatně snížit výpočetní náročnost výpočtů vazebných energií velkých klastrů a molekulárních krystalů. |
| Předběžná náplň práce v anglickém jazyce |
| Interactions between molecules govern the behaviour of their condensed phases, such as the melting temperature, the structure of the solid phase, etc.
However, it's difficult to evaluate the intermolecular interactions accurately from quantum mechanics and, in fact, impossible once the clusters become very large. An alternative is to describe the interactions using intermolecular potentials. There are several types of them. One can use simple functions with general coefficients, this is widely used to study biomolecules. They are fast, but typically less accurate. Other models are more complex and fit potentials for specific molecule using high quality reference data. They can reach high accuracy if the model is reliable. One of their largest benefit is that they are usually designed to describe non-additive interactions, which tend to be omitted in the simpler schemes. The non-additive terms are important and describe the effect when interaction energy of molecular dimer changes due to presence of a third molecule. This is crucial for electrostatic interactions but also for van der Waals interactions. Within the thesis, the student will test and implement simple models of intermolecular interactions. If a high accuracy is reached the models would massively simplify the evaluation of binding energies of molecular clusters and solids. |