Metody opracowane w ramach teorii funkcjonałów gęstości

Metody opracowane w ramach teorii funkcjonałów gęstości (Density Fuctional Theory – DFT)
są obecnie najbardziej popularnymi i efektywnymi metodami stosowanymi w fizyce ciała stałego,
chemii kwantowej i chemii obliczeniowej, biofizyce oraz szeroko rozumianej nanotechnologii.
Implementacje tych metod znalazły się już w zdecydowanej większości pakietów programów
przeznaczonych do obliczeo kwantowo-chemicznych i wykorzystywane są praktycznie we wszystkich
obliczeniach prowadzonych dla układów atomowych, molekularnych, krystalicznych a także dużych
układów biologicznych i nanostruktur.
Podstawową zaletą metod typu DFT, jest znacznie niższy koszt obliczeniowy niż
w standardowo do tej pory używanych metodach typu ab initio opartych na teorii funkcji falowej
(Wave Function Theory -WFT). Równocześnie w większości przypadków dokładnośd otrzymywanych
wyników w ramach DFT jest porównywalna z dokładnością uzyskiwaną przez metody WFT oparte na
przybliżeniu Hartree-Focka (HF) z dodatkowym uwzględnieniem efektów korelacji elektronowej
w drugim rzędzie rachunku zaburzeo Mollera-Plesseta (MP2).
Powszechnie wiadomo, że dokładnośd i efektywnośd metod typu DFT zależy od przybliżeo
i jakości funkcjonałów korelacyjno-wymiennych używanych w tych metodach. Niestety większośd
znanych, popularnych i standardowo stosowanych funkcjonałów korelacyjnych i wymiennych daje
zadowalające wyniki tylko w pewnych obszarach obliczeo kwantowo-chemicznych, a poprawnośd
wyników otrzymanych przy pomocy tych funkcjonałów dla innych (zbliżonych) zagadnieo jest
praktycznie nieprzewidywalna. Dlatego też poszukiwanie poprawnych, bardziej dokładnych, opartych
na ugruntowanych podstawach teoretycznych i relatywnie prostych funkcjonałów i potencjałów
korelacyjno-wymiennych jest obecnie priorytetowym zadaniem dla chemików kwantowych i fizyków
wykorzystujących metody DFT.
Jednym z celów proponowanego projektu jest rozwój metod, należących do tzw. „trzeciej
generacji DFT”, wykorzystującej funkcjonały i potencjały korelacyjno-wymienne zależne explicite od
orbitali. Taka zależnośd od orbitali, w sposób naturalny prowadzi do metody optymalizowanego
potencjału efektywnego (Optimized Effective Potential - OEP), która jest bardzo mocno rozwijana
w kontekście DFT w ostatnich kilku latach. W proponowanych badaniach szczególny nacisk położony
zostanie na poprawne uwzględnienie efektów korelacji elektronowej w opracowywanych metodach.
Nowe metody rozwijane będą w ramach podejścia nazwanego Ab initio DFT, pozwalającego na
opracowanie systematycznych i niezależnych od parametrów metod opartych o schemat DFT. Jedną
z najważniejszych idei leżących u podstaw Ab initio DFT jest wykorzystanie ustabilizowanych
i teoretycznie ugruntowanych metod typu Ab initio WFT, takich jak wielociałowy rachunek zaburzeo
(MBPT) czy metody typu sprzężonych klasterów (Coulped Cluster CC) i włączenie ich w teoretycznie
poprawny sposób w schemat Kohna-Shama w ramach metody DFT. Szczególny nacisk na tym etapie
położony zostanie na opracowanie metod przybliżonych, pozwalających na efektywne obliczenia dla
realistycznych układów bez utraty zalet i dokładności pełnej metody. Kolejnym celem jest rozwój
i numeryczna implementacje opracowanych metod, tak aby mogły byd wykorzystane do testowych
i realistycznych obliczeo w chemii i fizyce.
Podstawowy praktyczny cel i zakładany efekt to otrzymanie konkretnych funkcjonałów
i potencjałów korelacyjno-wymiennych, które mają szansę znaleźd się w powszechnym użyciu
w ramach DFT. Opracowane funkcjonały zastosowane zostaną w modelowaniu molekularnych
mechanizmów procesów katalitycznych o dużym znaczeniu technologicznym przebiegających
z udziałem kompleksów metaloorganicznych: procesach polimeryzacji etylenu oraz dehydrogenacji
boranu amonu.
Od kandydatów na doktorantów w projekcie oczekuje się podstawowej wiedzy z Mechaniki
Kwantowej, Chemii Kwantowej, oraz katalizy, oraz podstawowe umiejętności programowania
(programowanie strukturalne, FORTRAN, C).
Główny opiekun naukowy:
dr hab. Ireneusz Grabowski, prof. UMK
[email protected]
Dodatkowy opiekun naukowy:
prof. dr hab. Artur Michalak
[email protected]