Kis molekulák adatbázis alapú teljes spektroszkópiája
Title in English
Database approach to the complete spectroscopy of small molecules
Keywords in Hungarian
molekulaspektroszkópia, ab iníció, adatbázis, víz, rezgés-forgás
Keywords in English
molecular spectroscopy, ab initio, database, water, rotation-vibration
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)
100 %
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University)
Starting date
2006-01-01
Closing date
2008-09-30
Funding (in million HUF)
2.981
FTE (full time equivalent)
1.81
state
closed project
Summary in Hungarian
Jelen pályázat további támogatást kér a Prof. Tennyson (UCL, London) és a csoportom közötti együttműködésre, mely 2004-től támogatásban részesül az INTAS (EU program) részéről. A két csoport már sikeresen együttműködött olyan kutatási programokon, melyek a jelen kutatási terv előzményének tekinthetők. Jelen kutatás fő feladata olyan számítási algoritmusok, ezeken alapuló programok, valamint különösen egy olyan speciális adatbázis létrehozása, mely pontos, egymás által verifikált kísérleti és elméleti vizsgálatokon alapul. Még egy korlátozott adatbázisnak is rendkívüli haszna van az atmoszféra kutatásban, az égési folyamatok modellezésében, az asztrofizikában, valamint a kémiában. Ez érthető is, hiszen környezetünk - és az Univerzumban meglévő sokféle környezet - modellezéséhez elengedhetetlen a molekulák teljes, állapotspecifikus jellemzése a kvantummechanika szintjén és alapján. Meggyőződésünk, hogy az adatbázis alapú megközelítés a legjobb módja kis molekulák rezgési-forgási színképének teljes, nagypontosságú jellemzéséhez. Ez az eljárás azon a felismerésen alapul, hogy még a teljes színkép esetén is a rezgési-forgási energiaszintek száma sokkal kisebb mint a sok milliárd megengedett átmeneté. Ha két adatbázist építünk, melyek közül az egyik a pontos, de kis hibával terhelt számítási eredményeket tartalmazza, míg a másik a kísérleti eredményeket, statisztikai módszereket lehet kifejleszteni, melyek legkisebb négyzetes értelemben javítják az enegiaszinteket tartalmazó adatbázist a kísérleti információ figyelembe vételével. A számított és mért adatok közös statisztikai analízise lehetővé teszi kísérleti hibák automatikus felderítését, kísérleti adatok vélt hibájának korrigálását, és legfőképpen kis molekulák rezgési-forgási átmeneteit tartalmazó adatbázis automatikus generálását. Minden új mérés bevehető az adatbázisba, a statisztikai csomaggal verifikálható, és egy új 'legjobb' eredményeket tartalmazó adatbázis építhető.
Summary
The present proposal is seeking support for a collaboration, funded by INTAS, an EU program, since 2004, with the team led by Prof. Tennyson at UCL, London. The two groups have collaborated successfully on what can be seen as a series of preliminary studies to the present proposal. The principal aim of this proposal is to provide computational strategies, related programs, and especially data of ultimate accuracy based on experimental and theoretical results on molecular rovibrational transitions. The utility of even a subset of results in atmospheric research, combustion, astrophysics, and chemistry is emphasized. This is understandable since in order to model our environment, or indeed the many environments that occur in the Universe around us, we require a full state-resolved understanding, at the quantum mechanical level, of the molecules present in these environments. It is our belief that a database approach provides the best solution to the goal of obtaining a complete, high-accuracy characterization of rovibrational spectra of small molecules. This approach is based on the realization that the number of rovibrational energy levels of even a complete spectrum is much smaller than the billions of allowed transitions. If two databases are built, one containing the accurate but slightly imprecise computational results and the other the experimental quantities, statistical approaches can be developed which improve the energy level database in a least-squares sense to incorporate information from all measured data. This joint statistical analysis of the computed and measured data should make it possible to find experimental errors, correcting claims concerning the accuracy of the experimental data, and the eventual automatic construction of the complete database of rovibrational transitions of any small molecule. Each new measurement should enter this database, the statistical package must be run, resulting in a new set of ’best’ results.
Final report
Results in Hungarian
A Jonathan Tennyson professzorral (UCL, London, UK) csoportjával kezdeményezett kutatási együttműködés a számítógépes nagyfelbontású molekulaspektroszkópia területén valósult meg. A közös kutatómunka négy publikációt eredményezett, mindegyik a víz spektroszkópiájára vonatkozott, mely a legfontosabb földi üvegház hatású gáz. Az együttműködés keretében minden eddiginél pontosabb ab initio szemiglobális potenciális energia (PES) és dipólusmomentum (DMS) felületeket készítettünk a víz molekula elektron alapállapotára. Az azóta már többek által felhasznált PES neve CVRQD, míg a DMS-é CVR, ahol CV a törzs- és vegyértékelektronok korrelált mozgásának számítására utal, míg R a relativisztikus korrekcióra. A PES számítása során kvantumelektrodinamikai (QED) és diagonális Born-Oppenheimer korrekciók (DBOC) számítására is sor került. Egy további közleményben egy minden eddiginél pontosabb PES-t közöltünk a H2(16)O, H2(17)O és H2(18)O izotopológokra, mely a kísérleti adatokhoz történt illesztésen alapult. A MARVEL (Measured Active Rotational-Vibrational Energy Levels) algoritmus elkészítésében is közreműködött Tennyson professzor.
Results in English
The research collaboration proposed with the group of Professor Jonathan Tennyson (UCL, London, UK) concerned the area of computational high-resolution molecular spectroscopy. The joint research resulted in four publications, all related to the spectroscopy of the water molecule, the most important greenhouse gas on Earth. Within the collaboration we developed ab initio semiglobal potential energy (PES) and dipole moment (DMS) surfaces of unprecedented accuracy for the ground electronic state of the water molecule. These PES and DMS surfaces, which have been used by many others since their development, are called CVRQD and CVR, respectively, where CV refers to the correlated motion electronic structure computations involving core and valence electrons, while R stand for the inclusion of relativistic effects. During the computation of the PES we considered quantum electrodynamic (QED) and diagonal Born-Oppenheimer (DBOC) effects, as well. In another publication we presented theup to now most accurate empirical PES for the isotopologues H2(16)O, H2(17)O, and H2(18)O, whose development was based on a refinement to existing observed data. Development of the MARVEL (Measured Active Rotational-Vibrational Energy Levels) procedure was also performed in collaboration with Professor Tennyson.
T. Furtenbacher, A. G. Császár, and J. Tennyson: MARVEL: Measured Active Rotational-Vibrational Energy Levels, J. Mol. Spectrosc. 245, 115-125, 2007
P. Barletta, S. V. Shirin, N. F. Zobov, O. L. Polyansky, J. Tennyson, E. F. Valeev, and A. G. Császár: The CVRQD Ab Initio Ground-State Adiabatic Potential Energy Surfaces for the Water Molecule, J. Chem. Phys. 125, 204307, 2006
L. Lodi, R. N. Tolchenov, J. Tennyson, A. E. Lynas-Gray, S. V. Shirin, N. F. Zobov, O. L. Polyansky, A. G. Császár, J. N. P. van Stralen, and L. Visscher: A New Ab Initio Ground State Dipole Moment Surface for the Water Molecule, J. Chem. Phys. 128, 044304, 2008
S. V. Shirin, O. L. Polyansky, N. F. Zobov, R. I. Ovsyannikov, A. G. Császár, and J. Tennyson: Spectroscopically Determined Potential Energy Surfaces of the H216O, H217O, and H218O Isotopologues of Water, J. Mol. Spectrosc. 236, 216-223, 2006
