Výpočty mezimolekulárních interakcí

• Název práce v češtině: Výpočty mezimolekulárních interakcí
• Název v anglickém jazyce: Calculation of intermolecular interactions
• Klíčová slova: mezimolekulární interakce|ab initio|kvantová mechanika|multipólová analýza
• Klíčová slova anglicky: intermolecular interactions|ab initio|quantum mechanics|multipole analysis
• Akademický rok vypsání: 2023/2024
• Typ práce: bakalářská práce
• Ústav: Katedra chemické fyziky a optiky (32-KCHFO)
• Vedoucí / školitel: Mgr. Jiří Klimeš, Ph.D.
• Řešitel: Adam Mendl - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 17.10.2023
• Datum zadání: 06.11.2023
• Datum potvrzení stud. oddělením: 06.11.2023

Zásady pro vypracování

Cílem práce je implementovat a otestovat metody pro popis mezimolekulárních interakcí pomocí metody multipólového rozvoje elektrostatických interakcí.

1) Nastudování literatury (ab initio výpočty, multipólový rozvoj, sférické harmoniky), seznámení se s výpočetními programy.
2) Implementace metody pro výpočet vazebné energie pomocí multipólového rozvoje elektronové hustoty.
3) Porovnání interakční energie obdržené pomocí multipólového rozvoje s přesnými daty. Otestování různých nastavení.
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
Alston J. Misquitta, Anthony J. Stone: ISA-Pol: distributed polarizabilities and dispersion models from a basis-space implementation of the iterated stockholder atoms procedure, Theo. Chem. Accounts 137, 153 (2018)

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. Příkladem jsou potenciály založené na multipólovém rozvoji Coulombické
interakce. Jejich výhodou je vysoká rychlost výpočtu a vyšší přesnost oproti metodám používajícím pouze parciální náboje na atomech.
Pro naše výpočty by mohly být vhodným modelem pro popis interakcí vzdálených molekul, v práci bychom se primárně zaměřili na interakční energie dimerů.
Kromě výpočtu samotné interakční energie bychom v rámci práce otestovali možnost použití tohoto modelu pro tzv. Delta korekce -- popis změny interakční energie
při použití různých metod. Implementované metody by pomohly 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 of the used methods is based on distributed
multipole analysis of the electron density. These potentials are fast and have a better accuracy compared to models based on partial charges of nuclei.
Such models would be useful within our work to describe the interactions between distant molecules, in the work we would primarily consider dimers.
Apart from calculation of interaction energies we would test the method for calculating so-called Delta corrections to interaction energy --
a model for how the interaction energy changes when one method is replaced by another. The implemented methods would help to reduce the time
requirements of calculation of binding energies of molecular clusters and solids.