Přesné metody pro výpočty vlastností molekulárních krystalů

• Název práce v češtině: Přesné metody pro výpočty vlastností molekulárních krystalů
• Název v anglickém jazyce: Towards accurate theoretical methods for the description of molecular solids
• Klíčová slova: molekulární krystaly, ab initio metody, van der Waalsovy síly, teorie funkcionálu hustoty
• Klíčová slova anglicky: molecular solids, ab initio methods, van der Waals interactions, density functional theory
• Akademický rok vypsání: 2021/2022
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Katedra chemické fyziky a optiky (32-KCHFO)
• Vedoucí / školitel: Mgr. Jiří Klimeš, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Tématem práce je vývoj a použití kvantově-chemických metod pro přesný popis molekulárních krystalů. Získaná data budou také použita pro zhodnocení přesnosti jednodušších metod.

Student se nejprve seznámí se současnými metodami používanými pro popis kondenzovaných systémů, jejich přednostmi a nevýhodami, a to pomocí rešerše vědecké literatury a výpočtů pro jednoduché systémy. Následně porovná přesnost různých metod pro popis vazebných energií krystalů jednoduchých molekul a dále přesnost pro popis energetických rozdílů mezi polymorfy. Potřebná referenční data vypočte podle potřeby.

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

Molekulární krystaly hrají v přírodě nebo technologiích důležitou roli, ať už se jedná o léky nebo vodní klatráty zadržující metan na dně moří. Popsat s vysokou přesností strukturní a vazebné vlastnosti těchto látek je velmi obtížné. Nicméně je to nutné, pokud chceme porozumět jejich vlastnostem a být schopni předpovídat krystalové struktury látek, ať už za normálního nebo za vysokých tlaků, nebo být chopni přesně určit rozdíly energií mezi různými polymorfy. V současnosti se pro výpočty vlastností molekulárních krystalů často používají přiblížení vycházející z teorie funkcionálu hustoty (DFT). Ačkoliv je v mnoha případech DFT nesmírně úspěšná, přesný popis molekulárních krystalů stále činí DFT aproximacím problémy. To je hlavně kvůli nutnosti zároveň přesně popsat jak silné chemické vazby tak slabé van der Waalsovy síly. Problémy se projevují například při snaze vypočítat energetické rozdíly mezi polymorfy. Polymorfy jsou krystaly stejné molekuly s odlišnou strukturou. Rozdíly energií polymorfů vypočtené většinou DFT aproximací nebo jednoduššími methodami se liší od experimentálních referenčních dat. Několik málo DFT aproximací se s alespoň některými referenčními daty shodne. V současnosti nemáme vypracované techniky pro zjištění toho, kde je problém v případě, že se data neshodují. Pokud se teoretické předpovědi shodují s experimentem, tak na tom nejsme o moc lépe. Methoda může dávat správný výsledek, ale také může jít o náhodnou shodu nebo o chybu v referenčních datech. V první části projektu vyvineme přístupy, které nám umožní pochopit přesnost DFT aproximací a dalších metod pro popis polymorfů. Tyto výsledky následně použijeme pro zvýšení přesnosti studovaných metod. V této části také vypočteme referenční data pro polymorfy jednoduchých molekul. V závěrečné části projektu otestujeme vyvinuté metody pro molekuly použité v tzv. slepých testech předpovědí krystalových struktur.

Projekt je financován grantem Evropské výzkumné rady. Projekt vyžaduje znalosti na úrovni ukončeného magisterského studia ve fyzikálních nebo chemických oborech, dobrá znalost programování a skriptování je užitečná, ale ne nutná. Projekt zahrnuje spolupráci se skupinami na Vídeňské Universitě, Max Planck Institutu ve Stuttgartu a na University College v Londýně.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Molecular solids are important in many natural or industrial systems, from drugs to water clathrates soaked with methane at the bottom of the sea. However, it is extremely difficult to describe their structural and cohesive properties from first principles. Nevertheless, this is a must if we want to predict reliably crystal structures and phases at ambient or high pressures or crystal polymorphism. Many current studies of molecular solids employ density functional theory (DFT) to describe their electronic structure. Despite the huge success of DFT, currently used DFT approximations still do not perform satisfactorily well when trying to describe the interactions in molecular solids. One reason for this underperformance is that in molecular solids strong chemical forces compete with weak van der Waals interactions and to obtain reliable results, both need to be described with similar and sufficient accuracy. A stringent test case for the description of molecular solids are polymorphs of molecules. Some molecules can exist in different crystal structures even at same conditions. The different structures are then called polymorphs. It's extremely important but also difficult to be able to obtain the (free) energy differences between different polymorphs. Many DFT approximations or simple methods do not agree with the available experimental data. Some DFT approximations give similar energy differences to the reference. In neither case, we don't know where does the disagreement come from or if the agreement is because of some cancellation of errors, or if the method is indeed accurate, or if the exprimental data are wrong. The first goal of this project is to understand the strengths and weaknesses of DFT approximations and other schemes for the description of polymorphism. This knowledge will be used to improve the methods. Within this part we will obtain reference quality data for binding energy differences of polymorphs of simple molecules. In the final part of the project, we will test the developed methods and techniques for getting reference quality data on crystals of molecules used in crystal structure prediction blind tests.

The project is funded by an European Research Council grant. The project requires knowledge of quantum mechanics on Master's level in physical or chemical sciences, working knowledge of programming and scripting is beneficial, but not essential. The project will involve collaboration with research groups at the University of Vienna, Max Planck Institute in Stuttgart, and University College London.