elméleti kémia, kvantumkémia, soktestprobléma, elektronkorreláció, anyagtudomány
Keywords in English
theoretical chemistry, quantum chemistry, many-body problem, electron correlation, material science
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Quantum chemistry
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University)
Starting date
2010-06-01
Closing date
2014-11-30
Funding (in million HUF)
7.000
FTE (full time equivalent)
1.28
state
closed project
Summary in Hungarian
Ez a pályázat közvetlen folytatása a PI által 2000-2003 ill. 2004-2008 között (azonos címmel) vezetett OTKA kutatásoknak. Kutatási stratégiánk lényegét az alábbiakban foglalhatjuk össze. A kvantumkémia gyakorlatában kétféle alapvető gondolkodásmód került előtérbe. Az első abból indul ki, hogy a különböző módszerek általános elvei adottak (pl. a Schrödinger egyenlet), és ezek alkalmazása céljából mind gyorsabb és pontosabb számítási algoritmusokat kell kifejleszteni. A másik gondolkodásmódban a különféle módszerek csak “felhasználói szinten” érdekesek, a hangsúly a molekulák tulajdonságaira, tehát a “kémiára” helyeződik. A jelen pályázat kutatási témájában kiemelt szerep jut egy harmadik lehetőségnek, a modellekben történő gondolkodásnak is. Ennek lényege, hogy nem adott egyenletek matematikai közelítésére helyezzük a hangsúlyt, hanem egyszerű, az adott probléma természetéhez illeszkedő modell kitalálására, amelyet azonban megfelelő pontossággal meg tudunk oldani. Ez a szemléletmód a kutatás során számos olyan új ötlethez, eredményhez vezethet, amely egy mechanikusabb szemlélet számára rejtve maradna. Ezt az attitűdöt szeretnénk felhasználni az elvégzendő kutatások közös nevezőjét szolgáltató vezérfonálként. A tervezett kutatások konkrét tartalma: a lokalizált kémiai kötések és kémiai funkciós csoportok, fragmensek elméletének jobb megértése, ezen keresztül pontos számításokra alkalmas modellek kidolgozása. Az elektronkorreláció leírása a korrelációs kölcsönhatások lokalizált jellegének figyelembevételével. Anyagszerkezeti modellek kidolgozása és alkalmazása nanorendszerekben, Jahn-Teller torzulások leírása gerjesztett és ionizált nanocsüvekben, triplett nívók zérustérefelhasadását leíró modellek kidolgozása és alkalmazása. A tervezett kutatások kifejezetten alapkutatás jellegűek, eredetiségüket és újszerűségüket vezető szakfolyóiratokban történő publikálással kívánjuk igazolni. A pályázatba a kutatás 4 éve alatt a témavezetőn kívül minden bizonnyal több, egyelőre anonim résztvevő fog bekapcsolódni (doktorandusok, diplomázó ill. diákkörös hallgatók). A kutatás beindításához a műszerezettség (számítógéppel való ellátottság) megfelelő. A géppark folyamatos karbatartásához és bővítéséhez szükséges forrást a jelen pályázatból kívánjuk fedezni.
Summary
The research outlined in this proposal is a direct continuation of that covered by the previous OTKA grant of the PI. To underline this continuity, we have kept the project title. The essence of our research strategy is as follows. In quantum chemistry, one is usually interested either in methodological developments or in applications. In the former case, one assumes that the basic equations (the Schrödinger equation, e.g.) are known, and the role of theory is to find efficient algorithms to solve them. In the latter case one applies the methods focusing on molecular properties, i.e., on ''chemistry''. In the present proposal we also apply a third possibility, the development and application of specific models. The essence of this is that, instead of finding approximate solutions to standardized equations, we try to develop appropriate models which describe the essential features of the studied problem, and are simple enough to be solved with sufficient accuracy. This attitude may lead to new ideas and results which could remain hidden for a more mechanistic approach, and may be considered as the common denominator of the actual research topics. We plan to treat the following actual problems: the theory of the localized chemical bonds, molecular fragments and functional groups, the investigation of electron correlation using its localized nature, and perform new applications with the developed models. Applications also planned on actual problems in material science, e.g., the treatment of the interaction of composite nanosystems, Jahn-Teller distortions in excited and ionized nanotubes, and the zero-field splitting of triplet levels of carbon tubes. Besides the PI, we expect students to joint the research in the forthcoming years. Conditions of infrastructure (computer cluster) in our Lab are good, the present grant may be used to maintain and develop our cluster. ~
Final report
Results in Hungarian
A pályázatban molekuláris rendszerek modelljeinek kidolgozásával, tulajdonságaik vizsgálatával és alkalmazásával foglalkoztunk.
A vizsgált modellek első kategóriája az effektív pi-elektron modellek családjába tartozik. Ezek használata nem korlátozódik a hagyományos, sík geometriájú molekulák leírására, hanem alkalmasak görbülettel rendelkező "kvázi" pi-elektronos rendszerek tárgyalására is, mint pl. a fullerének vagy a nanocsövek. A görbületi hatások következtében fellépő szigma-pi költönhatást ilyen esetben be kell építsük a modellbe. Munkánk során két alkalommal dolgoztunk ki ilyen modellt: ezzel tárgyaltuk (1) a nanocsövek elektronikusan gerjesztett állapotainak Jahn-Teller torzulásait és triplett nívóik relativisztikus eredetű zérustér-felhasadását (ZFS), valamint (2) a fullerének és nanocsövek Raman optikai aktivitását (ROA).
A második kategóriába az ún. ab initio modellek tartoznak. Ezek közül a pályázatban elsősorban a geminál-alapú modelleket fejlesztettük és alkalmaztuk. A geminálok olyan kételektron függvények, amelyek antiszimmetrizált szorzataiból a molekula teljes hullámfüggvényét felépítve a molekulát alkotó kételektronos kötések matematikai modelljét kapjuk. Ez a modell korlátozott érvényű, ezért kulcsszerepe van a projekt során kidolgozott korrekciós eljárásoknak, amelyek a geminál-hullámfüggvények energiáját az egzakt energia irányába mozdítják.
Results in English
In course of this project we elaborated theoretical models for molecular systems, investigated their mathematical properties, and applied them for actual problems.
The models investigated can be classified into two categories. The first of these are pi-electron models, which, however, can be applied not only for classical Hückel systems with perfectly planar geometries, but also for quasi pi-electron systems with curved geometries (cf. fullerenes and nanotubes). Due to the surface curvatures the sigma and pi electrons mix each other, and this effect has been accounted for in the applied models. We have developed such effective models in two occasions: (1) when investigating the Jahn-Teller distortion and the zero-field splitting (ZFS) of nanotubes, and (2) when developing a theory for the calculation of Raman optical activity (ROA) of fullerenes and nanotubes.
The second class of models belong to the ab initio category. We mainly investigated geminal-based models. Geminals are two-electron functions which, upon antisymmetrization, constitute the many-electron wave function of molecules, offering an informative picture on the mathematical representation of clasical two-electron chemical bonds within the molecule. We also developed technologies to improve the energy of geminal wave functions.
Jeszenszki P, Nagy PR, Zoboki T, Szabados A, Surján PR: Perspectives of APSG-based multireference perturbation theories, INT J QUANTUM CHEM 114: 1048-1052, 2014
Jeszenszki Péter, Rassolov Vitaly, Surján Péter R, Szabados Ágnes: Local spin from strongly orthogonal geminal wavefunctions, MOL PHYS &: &, 2014
Péter R Nagy, Péter R Surján, Ágnes Szabados: Vibrational optical activity of chiral carbon nanoclusters treated by a generalized π-electron method, J CHEM PHYS 140: , 2014
T Zoboki, Á Szabados, P R Surján: Linearized Coupled Cluster Corrections to Antisymmetrized Product of Strongly Orthogonal Geminals: Role of Dispersive Interactions, J CHEM THEORY COMPUT 9: 2602-2608, 2013
Zoboki Tamás, Jeszenszki Péter, Surján PR: Composite particles in quantum chemistry: From two-electron bonds to cold atoms, INT J QUANTUM CHEM 113: 185-189, 2013
P\'eter R. Surj\'an and \'Agnes Szabados: Perturbative approximations to avoid matrix diagonalization, Linear-Scaling Techniques in Quantum Chemistry: Methods and Applications, Ed. R. Zalesny, Jerzy Leszczynski, Manthos Papadopoulos, and Paul G. Mezey Springer, Berlin, 2011
Tamas Zoboki, Peter Jeszenszki, and Peter R. Surjan: Composite particles in quantum chemistry: from two-electron bonds to cold atoms, Int. J. Quantum. Chem. 113: 185–189 (2013) doi: 10.1002/qua.24125, 2012
Peter Jeszenszki, Peter R. Surjan, and Agnes Szabados: Spin-adaptation and redundancy in state-specific multireference perturbation theory, J. Chem. Phys. 138, 124110 (2013) ; http://dx.doi.org/10.1063/1.4795436, 2013
T. Zoboki, A. Szabados and P. R. Surjan: Linearized Coupled Cluster Corrections to Antisymmetrized Product of Strongly Orthogonal Geminals: Role of Dispersive Interactions, J Chem Theor Comp DOI : 10.1021/ct400138m (2013), 2013
