Kohn-Sham formalizmustól eltérő (hatványsoros) sűrűség funkcionál algoritmus kidolgozása kémiai potenciálfelületek vizsgálatára.
Title in English
Non Kohn-Sham formalism density functional algorithm (using power series) for calculating chemical potential energy surfaces.
Keywords in Hungarian
Sűrűség funkcionál, Kémiai potenciálfelületek
Keywords in English
Density functional theory, Chemical potential surfaces
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)
100 %
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Institute of Materials and Environmental Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Starting date
2007-07-01
Closing date
2009-09-30
Funding (in million HUF)
2.838
FTE (full time equivalent)
0.50
state
closed project
Summary in Hungarian
Az elektronikus és szerkezeti tulajdonságokról szerzett információknak felbecsülhetetlen a gyakorlati haszna, hiszen így közelebb jutunk a kémiai reakciók számítógépes tervezéséhez. Az ab initio Hartree-Fock módszer előnye, hogy kémiai tulajdonságok jól számolhatók vele. Az egyetlen, de nagyon súlyos hátránya hogy nem éri el a kémiai pontosságot még energia különbségek számítása esetén sem. Például fématomok csak nagyon korlátozottan vagy egyáltalán nem számíthatók. A sűrűség funkcionál módszerek más, kevésbé drága eljárással számítják ki az elektronkorrelációt, de a jelenlegi megvalósult módszerei nem elégítenek ki minden igényt. A DFT módszerek egyik érdekes problémája, hogy nem lehet szisztematikusan javítani az eredményeket. Kutatásaimmal ezen a területen kívánok egy, az eddigiektől eltérő, azoknál összehasonlíthatatlanul gyorsabb saját módszert továbbfejleszteni. Az módszer elvi alapja az, hogy a Parr által javasolt [Proc.Natl.Acad.Sci. ,USA, 76 (1979) 2522] DFT funkcionálból indul ki, mely algebrai kifejezéseket tartalmaz az integrandusban a bonyolult differenciál operátorok helyett. Ez a módszer főleg azért maradt abba, mert a komputeres kapacitás elégtelensége miatt a hamarabb eredményt hozó Kohn-Sham módszer terjedt el. A Parr által javasolt funkcionált kivánom tovabb fejleszteni. Benne a hullamfüggvényt nem kell számolni, csupán az elektronsűruségé.
Summary
Gaining information on electronic structure and structural properties are extremely important in practice, because we can get closer to the computer design of chemical reactions. The advantage of ab initio Hartree – Fock method is that chemical properties can be predicted with higher accuracy. The only and serious drawback of this method is that it does not reach the chemical accuracy very frequently even for energy differences. Another problem: metal atoms can be modeled in a very few cases only nowadays, but very frequently it can not be done at all. The density functional methods apply less expensive procedures for calculating electron correlation, but nowadays, the available algorithms do not satisfy all needs. A known problem of the DFT methods is that, its accuracy can not be developed systematically in most cases. In my research, I would like to work out a much faster method in this field. The theoretical background of my method is based on the DFT functional suggested by Parr [Proc.Natl.Acad.Sci. ,USA, 76 (1979) 2522], which contains only algebraic expressions in the integrand without the much more difficult differential operators. The original research on this method has stopped, because the computer capacity was not sufficient enough at that time, and the Kohn-Sham method, which has provided faster, and more promising results, has gotten in the focus of the research and development. I would like to develop the operator suggested by Parr. In it, one does not have to calculate the wave function, only the electron density.
Final report
Results in Hungarian
A sűrűség funkcionálok (DFT) részletes analízisét végeztem. Ebben a több-elektron sűrűség tulajdonságait és viselkedését analizáltam a két Hohenberg–Kohn (HK) tétel tekintetében. Az analízis kiterjedt a sűrűség funkcionál és a sűrűség differenciál-, illetve integrál operátorainak formáira a dimenziók különböző szintjein a variációs elv (4N dim.) és a HK tételek (3 dim.) között. Kimondtam az 1. és 2. HK tételek általánosítását 3 és 4N közötti dimenziókra (N= elektronok száma) [doi: 10.1016/j.theochem.2008.03.007].
Az elektronikus Schrödinger egyenletet 3 dimenzióra redukáltam, melyben a Thomas-Fermi kinetikus és Parr elektron–elektron taszítás energia funkcionál közelítések alapján egy algoritmust [DOI: 10.1002/jcc.21161] dolgoztam ki a molekulák egy-elektron sűrűségének kompakt kifejezésére, valamit az alapállapot energia számolására. A feladat így a funkcionálok nehézkes minimalizálásáról egy egyváltozós függvény minimum keresésére redukálódik. Ez, mint generátor függvény szolgálhat későbbi, pontosabb egy-elektron sűrűség modellekben.
Részbeni alkalmazásként, olyan rendszerekre, mely fématomokat is tartalmaz, egy általam jól ismert rendszert választottam, a metil-piruvát fő orientációinak vizsgálatát cinkona alkaloidok (cinkonin és izo-cinkonin) erőterében. Ezen az úton a különböző mechanisztikus modellek eredete az aktívált ketonok hidrogénezésére cinkona alkaloiddal módosított platina felületen közös rendszerbe volt foglalható [DOI: 10.1021/jp9064467].
Results in English
A detailed analysis of density functionals (DFT) is performed. The properties and behavior of multi-electron density are analysed between the two Hohenberg–Kohn (HK) theorems. The analysis has covered the forms of density functionals and density differential- and integral operators in different dimensions between the variational principle (4N dim.) and HK theorems (3 dim.). The generalization of 1st and 2nd HK theorems is stated between 3 and 4N dim. (N= # of electrons) [doi: 10.1016/j.theochem.2008.03.007].
The electronic Schrödinger equation is reduced to 3 dimension, based on the Thomas-Fermi kinetic- and Parr electron–electron repulsion energy approximate functionals. An algorithm [DOI: 10.1002/jcc.21161] is described for the compact expression of one-electron density of molecules, as well as for the ground state electronic energy. In this way, the task is reduced from the difficult minimization of functionals to locate the minima of a one-variable function. This can serve as generator function in more accurate one-electron density models.
Partial application of the method above for systems containing metal atoms, the investigation of main orientations of methyl-piruvat was chosen in the force field of cinkona alkaloids (cinkonin and izo-cinkonin). As a consequence, the origin of different mechanistic models for the hydrogenation of activated ketons on cinkona alkaloid modified platinum surface was revealed [DOI: 10.1021/jp9064467].
Sandor Kristyan: Properties of the multi-electron densities ''between" the Hohenberg-Kohn theorems and variational principle, Journal of Molecular Structure: THEOCHEM 858 (2008) 1-11, 2008
Sandor Kristyan: Interesting Properties of Thomas-Fermi Kinetic and Parr Electron-Electron-Repulsion DFT Energy Functional Generated Compact One-Electron Density Approximation for Ground -State Electronic Energy of Molecular Systems, Journal of Computational Chemistry, 30 (2009) 1445–1453, 2009
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Molekuláris Farmakológiai Intézet (MTA Természettudományi Kutatóközpont), Új kutatóhely: Anyag- és Környezetkémiai Intézet (MTA Természettudományi Kutatóközpont).
2012-01-03 11:21:50
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Nanokémiai és Katalízis Intézet (MTA Kémiai Kutatóközpont), Új kutatóhely: Molekuláris Farmakológiai Intézet (MTA Kémiai Kutatóközpont).
