Grant/Projek zakończony

Modelowanie komputerowe fotoizomeryzacji fulgidów

Identyfikator grantu: PT00939

Kierownik projektu: Michał Kochman

Instytut Chemii Fizycznej PAN w Warszawie

Warszawa

Data otwarcia: 2022-02-09

Data zakończenia: 2022-09-07

Streszczenie projektu

Fulgidy to grupa związków chemicznych wywodzących się od bezwodnika kwasu bursztynowego. Pod wpływem naświetlania promieniowaniem ultrafioletowym ulegają reakcjom fotocyklizacji i fotoizomeryzacji E ⇌ Z. Obie reakcje są odwracalne na drodze fotochemicznej, natomiast nie zachodzą praktycznie wcale na drodze termicznej, to znaczy bez naświetlania. Izomery E i Z są bezbarwne, podczas gdy izomer C z pierścieniem sześcioczłonowym jest barwny. Dzięki tym właściwościom, fulgidy mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie jako nośniki danych w nowych technologiach pamięci optycznej.
Mój długoletni współpracownik Prof. R. J. Dwayne Miller z University of Toronto bada obecnie reakcje fotochemiczne fulgidów w roztworze przy użyciu czasowo-rozdzielczej spektroskopii absorpcyjnej (transient absorption spectroscopy, TAS). Ma również w planach pomiary dyfrakcji elektronów dla kryształu molekularnego. Analiza i interpretacja danych doświadczalnych, szczególnie widm TAS, będzie wymagać silnego wsparcia ze strony teorii. Prof. Miller zwrócił się do mnie z prośbą o skonstruowanie jak najbardziej realistycznego modelu fotochemii wybranego fulgidu, i obliczenie szybkości oraz wydajności kwantowych poszczególnych reakcji fotochemicznych.
W listopadzie i grudniu 2021 r. zaplanowałem symulacje, które powinny dać dobry obraz fotochemii tego związku. Mój plan obejmuje symulacje nieadiabatycznej dynamiki molekularnej w wariancie Tully'ego – metoda surface hopping. Strukturę elektronową fulgidu będę modelował przy użyciu metody spin-flip time-dependent density functional theory (SF-TDDFT). Udało mi się już przeprowadzić kilka symulacji próbnych dla izomeru Z. Te wstępne wyniki są bardzo obiecujące: obliczenia rzeczywiście przewidują, że isomer Z dwóm reakcjom fotochemicznym: fotoizomeryzacji, która prowadzi do izomeru E, oraz fotocyklizacji do izomeru C.
Wyniki jednej z próbnych symulacji można obejrzeć w serwisie YouTube: https://youtu.be/PRToGyGjSd8 Animacja u góry pokazuje, jak ewoluuje geometria cząsteczki. Wykres po lewej przedstawia energię stanów elektronowych S0 i S1 w funkcji czasu. Wykres po prawej pokazuje ich populacje. Na początku obsadzony jest stan S1, i jego populacja wynosi 1. Pionowa kreska pokazuje upływ czasu. Początek osi czasu (t = 0) odpowiada absorpcji fotonu przez cząsteczkę i wzbudzeniu do stanu S1. Cała symulacja trwa 400 fs. W tym czasie cząsteczka isomeru Z ulega fotocyklizacji do izomeru C, i wraca ze stanu S1 do stanu podstawowego (S0).
Zaprojektowane przeze mnie symulacje są dość wymagające, jeśli chodzi o moc obliczeniową. Obliczenie każdej trajektorii (każdej poszczególnej części składowej całej symulacji) pochłania ok. 2000 godzin CPU. Żeby uzyskać dobre oszacowanie wydajności kwantowych fotoizomeryzacji i fotocyklizacji, potrzebne będzie przynajmniej 50 trajektorii, a więc ok. 100 tys. godzin CPU. Dzięki przeprowadzonym już obliczeniom próbnym, mam pewność, że zaplanowane przeze mnie symulacje są możliwe do wykonania i zakończą się powodzeniem.

Publikacje

  1. Michał Andrzej Kochman, Tomasz Gryber, Bo Durbeej, Adam Kubas, Simulation and analysis of the relaxation dynamics of a photochromic furylfulgide, Physical Chemistry Chemical Physics 24, (2022) 18103-18118


← Powrót do spisu projektów

CONTACT

Our consultants help future and novice users of specialized software installed on High Performance Computers (KDM) at the TASK IT Center.

Contact for High Performance Computers, software / licenses, computing grants, reports:

kdm@task.gda.pl

Administrators reply to e-mails on working days between 8:00 am – 3:00 pm.