Superkomputer: Applications

Celem badawczym projektu jest uzyskanie szczegółowego teoretycznego opisu fizyko-chemicznego wybranych pochodnych jedno-, dwu- i trójpierścieniowych związków aromatycznych. Najważniejszym elementem celu badawczego jest rozwinięcie metodologii umożliwiającej opis wpływu kwantowych efektów jądrowych na właściwości molekularne w stanach wzbudzonych. Wybrane układy do badań zostały podzielone na trzy grupy:
(i) pochodne jedno- i dwupierścieniowe zawierające wewnątrzcząsteczkowe wiązania wodorowe, służące do badań rozwojowych i testowania metody kwantowania ruchów jądrowych,
(ii) pochodne dwupierścieniowe z wiązaniem wodorowym, w tym tzw. "gąbki protonowe",
(iii) pochodne trójpierścieniowe, głównie, ale nie wyłącznie z wiązaniem wodorowym, np. fenantroliny i benzo[h]chinoliny, w tym związki o możliwych zastosowaniach praktycznych (barwniki, luminofory stosowane w diodach OLED).
Planowane jest stworzenie bazy danych użytecznej przy projektowaniu nowych pochodnych o potencjalnym praktycznym zastosowaniu w chemii materiałowej i biomedycznej.
Badania będą prowadzone w elektronowym stanie podstawowym i stanach wzbudzonych, za pomocą schematów statycznych i dynamiki molekularnej. Analizowane będzie zjawisko przeniesienia protonu i związane z nim konsekwencje na poziomie molekularnym, przede wszystkim indukowane przeniesienie protonu (ESIPT). Planowana jest również fotodynamika - ewolucja parametrów metrycznych pod wpływem wzbudzenia elektronowego.
Obliczenia kwantowo-chemiczne podzielone są na kilka etapów. Etap pierwszy to testowanie protokołów obliczeniowych i rozwinięcie metodologii opisu wpływu kwantowych efektów jądrowych na właściwości molekularne w stanach wzbudzonych - rozszerzenie metody snapshot-envelope. Etap drugi to opis parametrów metrycznych, energetycznych i struktury elektronowej w oparciu o metody statyczne. Etap trzeci to zastosowanie metod dynamiki molekularnej (ab initio) w różnych formalizmach.
Statyczny kwantowo-chemiczny opis parametrów metrycznych i struktury elektronowej w stanie podstawowym, oparty zostanie na metodach korelacyjnych post-Hartree-Fock, tj. MP2 i referencyjna metoda CCSD(T), oraz na teorii funkcjonału gęstości (DFT) w wersji tradycyjnej i z poprawkami dyspersyjnymi. Obliczenia stanów wzbudzonych to przede wszystkim metody CC2 i TDDFT. Do analizy danych i tzw. post-processingu zostaną zastosowane teoria AIM i metoda NBO.
Schematy dynamiki molekularnej ab initio (CPMD, BOMD) pozwolą na dokładną analizę zachowania parametrów metrycznych, struktury elektronowej i spektroskopii w stanie podstawowym. Dynamika molekularna z całkowaniem po trajektoriach (PIMD) pozwoli opisać kwantyzację ruchów jądrowych. Schemat snapshot-envelope oparty na trajektorii dynamiki molekularnej ab initio posłuży do opisu efektów kwantowych w wybranym drganiu normalnym i wyliczenia potencjału średniej siły (Pmf) odpowiadającego energii swobodnej, natomiast metoda metadynamiki umożliwi efektywne przeszukanie przestrzeni fazowej układu. Własności dynamiczne w stanie wzbudzonym zostaną przeanalizowane metodą surface hopping, TDDFT-BOMD.