 |
Condensed Phase Molecular Dynamics: Clusters, Interfaces and the Bulk
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
104237 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Túri, László |
| Title in Hungarian |
Kondenzált fázisú molekuladinamika: molekulafürtök, határfelületek és a tömbfázis |
| Title in English |
Condensed Phase Molecular Dynamics: Clusters, Interfaces and the Bulk |
| Keywords in Hungarian |
kvantum molekuladinamika, folyadékszimulációk, szolvatációs dinamika, elektron transzfer |
| Keywords in English |
quantum molecular dynamics, liquid simulations, solvation dynamics, electron transfer |
| Discipline |
| Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Physical chemistry |
|
| Panel |
Chemistry 1 |
| Department or equivalent |
Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University) |
| Participants |
Pohl, Gábor
Szekeres, Béla János
|
| Starting date |
2013-01-01 |
| Closing date |
2017-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
25.652 |
| FTE (full time equivalent) |
4.98 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Jelen kutatási terv célja szisztematikus elméleti vizsgálatok végrehajtása a szolvatációs dinamikát kísérő elemi események vizsgálatára változatos kondenzált fázisú (leginkább vizes) környezetben, molekulafürtökben, víz/levegő határfelületeken és tömbfázisú oldószerben. A kutatások fő motivációja a szolvatációt kísérő alapvető, elemi események (oldószer relaxáció, inter- és intramolekuláris energiaátadás, elektron- és töltéstranszfer, elemi kémiai reakciók) molekuláris szintű megértésének az igénye. Jelen kutatási terv több szálon szorosan kapcsolódik korábbi támogatott kutatásainkhoz, tulajdonképpen korábbi sikeres kutatásaink szerves folytatása ez a projekt. A kutatás kiindulási pontja, az általunk használt legegyszerűbb modellt, a hidratált elektront szimuláló kvantumos-klasszikus molekuladinamikai vizsgálatsor értékes mikroszkopikus szintű információkkal szolgál azokról az alapvető fizikai elvekről, melyek a szolvatációt és a vele csatoltan végbemenő elektronállapot-relaxációt meghatározzák. A projekt legnagyobb kihívása a hidratált elektron probléma néhány fontos, megválaszolatlan kérdésének megoldása, a hidratált elektronra vonatkozó eredmények általánosítása és kiterjesztése bonyolultabb molekuláris rendszerekre. Ezen nagy rendszerekre vonatkozó problémák magukba foglalják a szolvatált halogenid ionok dinamikáját, valamint vizes oldatokban oldott, töltött biomolekulákat körülvevő ellenion-atmoszféra modellezését is. Vizsgálataink sikeres kivitelezése az alkalmazott szimulációs módszerek jelentős metodikai fejlesztését is megköveteli.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A projekt során megvizsgálandó kérdések három csoportba sorolhatók. A problémák első csoportja metodikai jellegű. A szolvatációs dinamikát modellező kvantumos szimulációs technika fejlesztésére két javaslatunk is van. Az első egy olyan új, polarizálható víz – elektron pszeudopotenciál kidolgozását célozza meg, mely alkalmazható mind határfelületi, mind tömbfázisbeli szimulációkra. A másik célunk egy olyan új szimulációs technika kidolgozása, mely modellezni képes vizes oldatban oldott töltött biomolekulákat körülvevő ellenion-atmoszféra eloszlását. A második problémakörbe vízben és metanolban oldott felesleg elektron tulajdonságaival kapcsolatos még megválaszolatlan kérdések megoldása tartozik. Ilyen probléma például a víz molekulafürt anionok semleges vízfürtök és kis energiájú elektronok ütközéséből származó létrejötte, a gerjesztett állapotú hidratált elektron élettartamának kiszámítása, a víz molekulafürt anionok izomerjeit összekötő szabadenergia-görbe megkonstruálása, és egy metanolban oldott felesleg elektron ab iníció molekuladinamikai szimulációja. A hidratált elektron problémakörben tapasztalható nemzetközi aktivitás miatt a területen további vizsgálatokat is tervezünk. A projekt harmadik problémaköre a hidratált elektron probléma általánosításával és kiterjesztésével foglalkozik molekuláris oldott részecskéket tartalmazó kondenzált fázisú rendszerekben. Vizsgáljuk majd halogenid ionok fotoionizációjának dinamikáját, amely oldott halogénatomhoz és hidratált elektronhoz vezet oldószerrel képzett töltésátviteli komplexen keresztül, valamint egy kisebb, töltött biomolekulát körülvevő ellenion-atmoszféra létrejöttét is.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A javasolt kutatási program korábbi, hasonló területen végzett sikeres kutatásaink természetes folytatása. A hidratált elektron rendszer alapos vizsgálata után nélkülözhetetlen vizsgálataink összetettebb rendszerekre történő kiterjesztése, az eredmények általánosítása, valamint az implikációk és a gyakorlati következmények felkutatása. A legegyszerűbb esetekre (hidratált elektron) végrehajtott vizsgálataink értékes molekuláris szintű bepillantást nyújtanak a szolvatációt és a vele csatolt elektronállapot relaxációt meghatározó alapvető fizikai összefüggésekbe. Ezen eredmények közvetlen hatása azonban valószínűleg nem nyúlik túl az elméleti és kísérleti fiziko-kémikusok társadalmán. A kutatások általánosabb irányba történő kiterjesztése azonban megnyitja a lehetőséget a korábban felfedezett elvek gyakorlatiasabb alkalmazására. Új számítási eszközök, módszerek létrehozása szakemberek jóval szélesebb, még a kémián is túlnyúló körét érheti el. Olyan távoli területeken történhet meg a fejlesztések alkalmazása, mint az anyagtudomány vagy a biomolekuláris tervezés. Mindazonáltal, leginkább a jelen kutatási tervben körvonalazott gyakorlati következmények és alkalmazások lehetnek azok a területek, amelyek leginkább hozzáférhetők és közvetlenül hasznosíthatók lesznek a társadalom számára. Fontos példák merülnek fel a környezetvédelemmel kapcsolatban, úgy mint az ózonréteg bomlása, vagy az aeroszolokban lejátszódó fotokémiai folyamatok mechanizmusának megértése. Biokémiai alkalmazások, mint például a fotoszintézis részletes molekuláris mechanizmusának megértése, kulcsfontosságú lehet az energiatermelésben vagy a biomolekulák tervezésében. A kémiai ipar szintén profitálhat vizsgálatainkból, például az elektrokémiai cellákban lejátszódó elektronátadási folyamatok mechanizmusának megértésén keresztül.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A jelen kutatási program célja betekintést nyerni azokba a molekuláris történésekbe, melyek egy részecske vízben történő oldódása közben játszódnak le. Bár az így létrejött oldatok tartalmazhatnak például egy egyszerű iont, vagy egy biológiailag jelentős makromolekulát, a szolvatáció mechanizmusa alapvetően azonos mintákat követ. A terület fő kihívása a közös minták időbeli változásának (a rendszer dinamikájának) felderítése. Mivel a szolvatált részecske tulajdonságai különbözőek néhány vízmolekulát tartalmazó molekulafürtben, vízfelületeken, vagy a vizes fázis belsejében, a szolvatáció ezen rendszerekben történő vizsgálatával további értékes információt nyerhetünk a szolvatáció dinamikájáról. Ésszerű modelleken alapuló számítógépes szimulációk a vizsgált oldatok mind sztatikus, mind időbeli tulajdonságainak felderítésére kiválóan alkalmasak. A gyakorlatban egyszerű modellek vizsgálatából indulunk (mint egy elektron, melyet vízben „feloldunk” (hidratált elektron)), majd az eredményeinket általánosítjuk, alkalmazzuk bonyolultabb oldott részecskét tartalmazó oldatokra. A hidratált elektron rendszert a múltban számos alkalommal megvizsgáltuk, most vizsgálataink bonyolultabb rendszerekre szeretnénk kiterjeszteni. A projekt során vizsgált rendszerek időbeli viselkedése iránymutatást adhat arról, hogy fontos folyamatok (például, az ózonréteg bomlásához vezető légkörkémiai reakciók kezdeti lépései) milyen módon játszódnak le. A számítási technikák szintje és fejlettsége szintén jelentősen befolyásolja az eredmények és következtetések megbízhatóságát. Ezért a meglevő szimulációs programok fejlesztése fontos feladat, ez is fontos részét képezi a projektnek.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The purpose of the present research program is to launch systematic theoretical investigations on elementary events of solvation dynamics in various condensed phase (mainly aqueous) environments: in molecular clusters, on solvent/air infinite interfaces and in bulk solvents. The main motivation of these investigations is to develop a molecular level understanding of basic elementary events (solvent relaxation, inter- and intramolecular energy transfer, electron- and charge transfer, elementary chemical reactions) in various condensed phase matrices using quantum molecular dynamics simulation techniques. The research proposal is strongly connected to our previous grant proposals. In fact, the present research proposal is a continuation and natural extension of our previous investigations. The starting point of the research, quantum-classical molecular dynamics studies of the simplest model cases (i.e. hydrated electron), provides invaluable microscopic insight into the basic physical principles governing solvation and the coupled electronic dynamics. The main challenge we face now is to resolve a few unanswered, nonetheless important questions in the hydrated electron problem, and to generalize these results and extend our investigations to more complex molecular systems. The extended systems range from solvated halide ions to aqueous solutions of charged bio-molecules and their surrounding counter-ion atmosphere. The investigations also require significant methodological developments in the simulation techniques.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The questions of the present project can be classified in three major groups. The first group is of methodological nature. Here we propose two ideas to improve the quantum simulation techniques we use to model solvation dynamics. The first one aims the development of a polarizable water-electron pseudopotential that is applicable both to interfacial and bulk quantum-classical simulations. The other goal is to develop a new simulation technique to model counter-ion distribution surrounding charged bio-molecules in aqueous solutions. The second problem set of this proposal concerns unresolved questions about the properties of an excess electron in water and methanol, such as the simulation of water cluster anion formation from neutral water clusters and low energy electrons, the calculation of the excited state lifetime of a hydrated electron, the construction of the free energy curve connecting water cluster anion isomers, and ab initio MD simulations of an excess electron in methanol. Although this part of the project has a long history in our group, we plan to pursue research further on this “hot” field. However, now it is not the hydrated electron per se that is in the focus of our attention, but its implications for other related physical phenomena. The third group of studies focuses on the generalization of the excess electron problem to more complicated condensed phase systems. These include solvation dynamics of molecular solutes, such as that of halide ions after electron photodetachment leading to solvated halogen atoms and a hydrated electron via a charge-transfer-to-solvent state, or the simulation of charged bio-molecules and their counter-ion atmosphere.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The proposed research program is a natural extension of our previous successful work on this field. After the investigations of the hydrated electron system, it is now indispensable to extend our investigations to more complex systems, generalize the results, and investigate the implications and the general practical consequences. The studies of the simplest cases (i.e. hydrated electron) provide invaluable microscopic insight into the basic physical principles governing solvation and the coupled electronic dynamics. The direct impact of these results will be undoubtedly on the theoretical and experimental community of physical chemists. Extension of the investigations to broader directions opens the possibility for more practical applications of these principles. The development of new computational tools potentially may reach a much wider group of specialists, even outside chemistry, reaching as far as to experts in material science or biomolecular engineering. Nevertheless, it is, by far, the practical consequences and generalizations of the present proposal that may have the most important impacts in fields most accessible and plausible for the public. Important examples include implications for environmental issues, such as ozone layer depletion or understanding atmospheric photochemistry in aerosols. Biochemical applications, such as understanding the detailed molecular mechanism of photosynthesis are also of great utility in a variety of fields, for example, in energy production or biomolecular engineering. Chemical industry may also profit from the present results, for example, from the detailed molecular level knowledge of electron-transfer processes in electrochemical cells.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The main goal of the present research proposal is to gain insight into the molecular level events taking place in aqueous solutions. Although these solutions may contain a single ion, or a large biologically important macromolecule, the mechanism of solvation follows the same basic patterns in all cases. The main challenge is to find and understand the temporal evolution of these common patterns, the dynamics of the system. Since the behavior of the solvated species is different in clusters (composed of a few solvent molecules), on solvent surfaces and in the bulk of the solvent, additional information can be gained on the mechanism of solvation by studying these events in these various environments, as well. Computer simulations with reasonable models can unravel the most important properties (both static and temporal) of the investigated solutions. It is practical to study a relatively simple model, for example, a single electron in water (hydrated electron), and generalize the properties to more complex solutions. We have investigated this model system in the past, and now we plan to extend our theoretical examinations to more complex systems. The temporal behavior of the investigated systems can provide clues how important process (for example, the initial steps of the atmospheric chemical reactions leading to ozone layer depletion) take place. The level and sophistication of the computational techniques are of great influence in the above investigations therefore it is absolutely necessary to improve the presently available computer simulation programs. This is also an important part of the present proposal.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Borgis, D.; Rossky, P. J.; Turi, L.: Electronic Excited State Lifetimes of Anionic Water Clusters: Dependence on Charge Solvation Motif, J. Phys. Chem. Lett. 8, 2304-2309, 2017 | | Szekeres, B.; Turi, L.: On the systematic development of an electron - water molecule pseudopotential, kézirat előkészületben, 2017 | | Mones, L.; Pohl, G.; Turi, L.: Ab initio molecular dynamics simulations of methanol cluster anions, kézirat előkészületben, 2017 | | Baranyi, B.; Turi, L.: A combined ab initio quantum chemical and molecular dynamics study on ammonia cluster anions, Kézirat előkészületben, 2017 | | Baranyi B.: Ammóniában oldott elektron elméleti vizsgálata, B.Sc. szakdolgozat, témavezető: Túri László, 2017 | | Turi, L.: Quantum simulations of the structure and dynamics of water cluster anions, előadás, 44th IUPAC World Chemistry Congress, Isztanbul, Turkey, 2013 | | Turi, L.: Vízmolekulafürt anionok gerjesztett elektronállapotainak élettartama, előadás, MTA Reakciókinetikai és Fotokémiai Munkabizottság ülése, 2013 | | Turi L.: Vízmolekulafürt anionok gerjesztett elektronállapotainak élettartama, előadás, MTA Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottság ülése, 2013 | | Turi L.: Vízmolekulafürt anionok gerjesztett elektronállapotainak élettartama, előadás, MTA Fizikai-kémiai Tudományos Bizottság ülése, 2013 | | Turi, L.: Hydration dynamics in water clusters via quantum molecular dynamics simulations, publikáció előkészületben, 2014 | | Borgis, D.; Rossky, P. J.; Turi, L.: Excited State Lifetimes of Anionic Water Clusters; Report on Electron Solvation Motif, publikálásra elküldve, 2014 | | Turi, L.: Hydration dynamics in water clusters via quantum molecular dynamics simulations, Journal of Chemical Physics, 140, 204317, 2014 | | Turi L.:: Hydration dynamics in water clusters: a mixed quantum-classical molecular dynamics approach, előadás, Central European Statistical Mechanics Mini-Meeting, Budapest, 2014 | | Turi, L.; Borgis D.; Rossky P. J.: Coupled Electronic and Hydration Dynamics in Water Clusters via Quantum Molecular Dynamics, poszter, Liquids 2014, 9th Liquid Matter Conference, Lisszabon, Portugália, 2014 | | Turi L.: Excess electrons in aqueous solutions: quantum molecular dynamics simulations of ultrafast events in condensed phases, meghívott előadás, Central European Symposium on Theoretical Chemistry, Nagybörzsöny, Magyarország, 2014 | | Turi L.: Quantum dynamics of the isomers of water cluster anions: surface state vs. interior state clusters, előadás, WATOC 2014 meeting, Santiago de Chile, Chile, 2014 | | Turi L.: Hydrated electrons in water clusters: inside or outside, cavity or non-cavity?, publikálásra elküldve, 2015 | | Turi, L.; Pohl, G.: Excess electrons in methanol clusters: beyond the one-electron picture, kézirat előkészületben, 2015 | | Borgis, D.; Rossky, P. J.; Turi, L.: Excited State Lifetimes of Anionic Water Clusters; Report on Electron Solvation Motif, közlésre elküldve, 2016 | | Turi L.: Hydrated electrons in water clusters: inside or outside, cavity or non-cavity?, J. Chem. Theory Comput., 11, 1745-1755, 2015 | | Pohl G.; Mones, L.; Turi, L.: Excess electrons in methanol clusters: beyond the one-electron picture, közlésre elküldve, 2016 | | Turi L.:: Hydrated electron models: cavity vs. noncavity?, előadás, 34th International Conference on Solution Chemistry 30th August – 3rd September 2015, Prague, Czech Republic, 2015 | | Turi L.: On the applicability of one- and many-electron quantum chemistry models for hydrated electron clusters., közlésre elküldve, 2016 | | Szekeres B., Turi L.: A new polarizable electron-water molecule pseudopotential and its application for the hydrated electron, kézirat előkészületben, 2016 | | Turi, L.; Borgis, D.; Rossky, P. J.: Ultrafast probes of excess charge solvation in anionic water clusters, Abstracts of Papers of the American Chemical Society Volume: 248, 2014 | | Borgis, D.; Rossky, P. J.; Turi, L.: Electronic Excited State Lifetimes of Anionic Water Clusters: Dependence on Charge Solvation Motif, közlésre elküldve, 2017 | | Pohl G.; Mones, L.; Turi, L.: Excess electrons in methanol clusters: beyond the one-electron picture, Journal of Chemical Physics, 145, 164313, 2016 | | Turi L.: On the applicability of one- and many-electron quantum chemistry models for hydrated electron clusters., Journal of Chemical Physics, 144, 154311, 2016 | | Szekeres B., Turi L.: A new polarizable electron-water molecule pseudopotential and its application for the hydrated electron, kézirat előkészületben, 2017 | | Turi, L.; Borgis, D.; Rossky, P. J.: Electronic Excited State Lifetimes of Anionic Water Clusters: A Quantized Time Correlation Function Approach, előadás, The 11th Triennial Congress of WATOC, München, Németország, 2017 | | Turi L.: Ultrafast solvation dynamics of excess electrons in molecular clusters, at interfaces and in the bulk, Intézeti szeminárium, Maison de la Simulation, Saclay, Franciaország, 2017 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
