Quantum Molecular Dynamics Modelling: Theory and Applications to Electron-Transfer Processes  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
75285
Type K
Principal investigator Túri, László
Title in Hungarian Kvantum molekuladinamikai szimulációk: elmélet és alkalmazások az elektrontranszfer folyamatok vizsgálatára
Title in English Quantum Molecular Dynamics Modelling: Theory and Applications to Electron-Transfer Processes
Keywords in Hungarian kvantum molekuladinamika, elektrontranszfer folyamatok
Keywords in English quantum molecular dynamics, electron-transfer processes
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 Madarász, Ádám
Starting date 2009-01-01
Closing date 2012-12-31
Funding (in million HUF) 17.787
FTE (full time equivalent) 2.50
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatási terv célja korábbi kvantumdinamikai szimulációink elméleti és gyakorlati aspektusainak további vizsgálata, különös tekintettel a kondenzált fázisokban lejátszódó felesleg elektron részvételével lezajló folyamatok vizsgálatára. A kutatási terv célja ezen a területen végzett korábbi munkánk folytatása, mely 2 publikációt eredményezett a Science című folyóiratban.
A projekt során a problémakör három aspektusát vizsgáljuk meg részletesen számítógépes szimulációk segítségével. Első lépésben a két különböző típusú vízklaszter anion izomer, a belső elektronállapotú és a felületi elektronállapotú klaszterek, határfelületek fizikai, dinamikai tulajdonságait jellemezzük. Második lépésben a felesleg elektron viselkedését vizsgáljuk bonyolultabb, vizes rendszerekben. Mivel a negatívan töltött vízklaszterek az egyszerű elektrontranszfer folyamatok modelljeként is kezelhetők, tanulmányozásuk a biokémiai elektrontranszfer folyamatok szempontjából is kiemelkedő jelentőségű. A kétféle (felületi és belső) elektronállapot manipulálási lehetőségeinek közvetlen gyakorlati jelentőséget ad a vizsgált kémiai rendszerek reaktivitásának módosítása, különböző hordozókra, síkfelületekre, leválasztott folyadékfilmek, esetleg nanocsövek elektronállapotainak manipulációja. A projekt harmadik része metodikai újításokat céloz meg, melyek közül kiemelkedik egy új, polarizálható elektron-vízmolekula pszeudopotenciál megalkotása, mely QM/MM szimulációkban is használható lenne.
Summary
The present research program aims to continue our previous investigations on the theoretical and practical aspects of quantum molecular dynamics simulations of condensed phase processes, in particular those involving an excess electron in confined aqueous environments. The project resulted in 2 publications in the prestigious journal Science.
We propose to investigate three main aspects of the problem using computer simulations. Firstly, we attempt to describe and compare the two types of water cluster anion isomers, and their infinite size counterparts; clusters with interior excess electron state, and those with surface electron state. Secondly, we investigate the excess electron in more complex aqueous environments. Since the negatively charged water clusters can serve as useful models for electron-transfer processes, their examination is highly valuable for studying biochemical electron-transfer reactions. The possibility to manipulate the two different electronic states (interior state and surface state) has serious practical consequences in the modification of chemical reactivity, the preparation of nanoscale clusters with different electronic states, and the manipulation of the electronic states in thin liquid films deposited on surfaces and carbon nanotubes. The third part of the project aims methodological improvements, for example the development of a new, polarizable electron-water molecule pseudopotential. This model can be used potentially in QM/MM simulations.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Kutatásunk során kondenzált fázisú kémiai reakciók és relaxációs folyamatok alapvető összefüggéseit tanulmányoztuk egyszerű modellek kevert kvantumos klasszikus molekuladinamikai szimulációjával. A szimulációk alkalmazása mellett a kevert kvantumos klasszikus módszer elemzésével és fejlesztésével is foglalkoztunk. Pszeudopotenciál elméleti analízist hajtottunk végre az elektron-vízmolekula potenciálon, melynek során a hidratált elektron hagyományos üreg-modelljét megkérdőjelező modellek komoly hiányosságaira mutattunk rá. Hasonló érvelés alkalmazása segítségével kidolgoztunk egy új elektron-metanol molekula potenciált is. Negatívan töltött víz és metanol molekulafürtök tulajdonságainak vizsgálata során elemeztük a legfontosabb kölcsönhatásokat, konfigurációkat, és a rendszerek egyensúlyi és nem-egyensúlyi dinamikai viselkedését. Az alapállapot elemzésén túlmenően a molekulafürt negatív töltését adó felesleg elektron gerjesztését, majd az alapállapotba történő relaxáció mechanizmusát és sebességét is megvizsgáltuk. Szimulációs eredményeink a kísérleti mérésekkel kiváló összhangban állnak és a kísérletek egy teljesen új interpretációját teszik lehetővé. Kutatásunk során lehetőségünk nyílt a hidratált elektronnal kapcsolatos elméleti eredményeket összefoglaló tanulmányok megírására is mind angol, mind magyar nyelven.
Results in English
We investigated the basic physical properties of simple systems modeling condensed phase chemical reactions and relaxation processes by the application of mixed quantum-classical molecular dynamics simulations. Besides performing simulations we also examined the methodology and improved important ingredients of the mixed quantum classical simulation technique. Pseudopotential theory based theoretical analysis of the electron-water molecule potential lead us to conclude that pseudopotentials questioning the traditional cavity model of the hydrated electron suffer from serious deficiencies. Based on similar arguments we developed a new electron-methanol molecule potential. We examined the physical properties of negatively charged water and methanol clusters starting from their most important interactions and configurations to their equilibrium and non-equilibrium dynamical behavior. In addition to analyzing the ground state properties, we simulated the excitation of an excess electron in water and methanol cluster anions, and examined the mechanism and calculated the rate of the electronic relaxation back to the ground state. The simulation results are in excellent agreement with experimental measurements, but at the same time offer a completely different interpretation of the data. In the research period we also had the opportunity to review the theoretical results on the hydrated electron subject both in Hungarian and English.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=75285
Decision
Yes





 

List of publications

  
László Turi, Peter J. Rossky: Theoretical Studies of Spectroscopy and Dynamics of Hydrated Electrons, Chemical Reviews, 112, 5641-5674,, 2012
Turi L.; Madarász, Á: Comment on ''Does the Hydrated Electron Occupy a Cavity?'', Science, 331, 1387, 2011
Letif Mones, Peter J. Rossky, László Turi: Quantum-classical simulation of electron localization in negatively charged methanol clusters, Journal of Chemical Physics, 135, 084501, 2011
Letif Mones, Peter J. Rossky, László Turi: Analysis of localization sites for an excess electron in neutral methanol clusters using approximate pseudopotential quantum-mechanical calculations, Journal of Chemical Physics, 133, 144510, 2010
Ádám Madarász, Peter J. Rossky, László Turi: Response of Observables for Cold Anionic Water Clusters to Cluster Thermal History, Journal of Physical Chemistry A, 114, 2331, 2010
Letif Mones, László Turi: A new electron-methanol molecule pseudopotential and its application for the solvated electron in methanol, Journal of Chemical Physics, 132, 154507, 2010
László Turi, György Hantal, Peter J. Rossky, Daniel Borgis: Nuclear quantum effects in electronically adiabatic quantum time correlation functions: Application to the absorption spectrum of a hydrated electron, Journal of Chemical Physics, 131, 024119, 2009
Túri László, Madarász Ádám, Daniel Borgis, Peter J. Rossky: Kondenzált fázisú kvantum molekuladinamikai vizsgálatok a hidratált elektron modelljén keresztül, Magyar Kémiai Folyóirat, közlésre elfogadva, 2013
Daniel Borgis, Peter J. Rossky, László Turi,: Condensed Phase Quantum Dynamics: Excited State Lifetimes of Water Cluster Anions, kézirat előkészületben, 2013
László Turi: Condensed Phase Quantum Dynamics: Excited State Lifetimes of Water Cluster Anions, Meghívott előadás, Telluride Workshop on Interfacial Molecular and Electronic Structure and Dynamics, USA, 2012
László Turi: Computational Studies on a Deceptively Simple System, the Hydrated Electron, meghívott plenáris előadás, International Symposium for the 70th Birthday of Professor Joseph J. Dannenberg, New York City, USA, 2011
László Turi: Excess Electrons in Water: What Can We Learn from Molecular Dynamics Simulations?, meghívott előadás, 32nd ICSC Meeting, La Grande Motte, Franciaország, 2011
Ádám Madarász, Peter J. Rossky, László Turi: Hydrated Electrons in Clusters, on Interfaces, and in the Bulk (előadás), 31st International Conference on Solution Chemistry, Innsbruck, Ausztria, 2009
Ádám Madarász, Peter J. Rossky, László Turi: Interior- and surface-bound excess electron states in water cluster anions (poszter), ISACS, Challenges in Physical Chemistry and Nanoscience, Budapest, 2010
László Turi, Ádám Madarász, Letif Mones, Peter J. Rossky: Solvated Electrons in Water and Methanol Clusters, Transition to Solvent/Air Interfaces, and the Bulk (poszter), 10th European Conference on Atoms, Molecules and Photons, Salamanca, Spanyolország, 2010
Ádám Madarász, László Turi, Peter J. Rossky: Excess electron relaxation dynamics in metastable and equilibrium water clusters (poszter), 10th European Conference on Atoms, Molecules and Photons, Salamanca, Spanyolország, 2010
László Turi: Condensed Phase Molecular Dynamics: Excess Electrons in Water and Methanol, Meghívott tanszéki szeminárium, Pôle de Chimie Théorique, UMR-CNRS PASTEUR, Ecole Normale Supérieure, 2012
László Turi: Excess Electron Dynamics in Water and Methanol, meghívott tanszéki szeminárium, Department of Physical Chemistry, Fritz Haber Institute of the Max Planck Society, 2011
Túri László: Sugárzásmentes elektronátmenetek sebességének számítása: idő autokorrelációs függvény közelítés, Előadás a MTA Reakciókinetikai és Fotokémiai Munkabizottsága ülésén, 2012
Túri László: Hogyan lehet feloldani az elektront? Töltött elemi részecskék szerepe a kémiában, Előadás az ALKÍMIA MA c. előadássorozatban, ELTE, Kémiai Intézet, 2009




 

Events of the project

  
2010-10-06 09:28:07
Kiegészítő támogatás beolvasztása
2010-02-15 16:12:40
Résztvevők változása



Back »