Neaditivní mezimolekulární interakce
| Thesis title in Czech: | Neaditivní mezimolekulární interakce |
|---|---|
| Thesis title in English: | Non-additive intermolecular interactions |
| Key words: | mezimolekulární interakce|ab initio|kvantová mechanika |
| English key words: | intermolecular interactions|ab initio|quantum mechanics |
| Academic year of topic announcement: | 2024/2025 |
| Thesis type: | diploma thesis |
| Thesis language: | |
| Department: | Department of Chemical Physics and Optics (32-KCHFO) |
| Supervisor: | Mgr. Jiří Klimeš, Ph.D. |
| Author: |
| Guidelines |
| 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) Výpočet dat pro atomové nebo molekulární systémy. 4) Otestování kvality metod na vypočtených datech. 5) Sepsání práce a prezentace výsledků. |
| References |
| 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 |
| Preliminary scope of work |
| 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. |
| Preliminary scope of work in English |
| 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. |