Presné kvantovo-chemické štúdium nekovalentných interakcií

Abstrakt: 

Cieľom projektu je aplikácia efektívnych výpočtových ab initio metód určených na presný popis nekovalentných interakcií "veľkých" molekulárnych systémov. Presný a spoľahlivý popis nekovalentných interakcií je neustálou výzvou, nakoľko vyžaduje použitie tých najpokročilejších kvantovo chemických metód, akými sú napr. metódy spriahnutých klastrov (so zahrnutím spojených triexcitácií) čo najbližšie k limite úplnej bázy atómových orbitálov (CBS). Zvýšiť efektivitu výpočtov môžme v zásade dvoma spôsobmi: aplikáciou nových, menej výpočtovo náročných metód so zachovaním presnosti a spoľahlivosti výsledkov a zlepšením konvergencie k CBS s veľkosťou použitej atómovej bázy. Predbežné výsledky výskumu naznačujú, že vhodným kandidátom na takúto metódu je škálovaná poruchová metóda do tretieho poriadku (sMP3) a konvergenciu k CBS je možné urýchliť použitím metódy optimalizovaných virtuálnych orbitálov (OVOS) a/alebo systematicky navrhnutej mriežky bázových funkcií centrovaných mimo atómy.

Odbor: 
kvantová chémia; počítačová chémia, chemická fyzika
Vedecká časť: 
  • Optimalizácia produkčnej sady univerzálnych a prenositeľných parametrov mriežky bázových funkcií centrovaných mimo atómy, pre skvalitnenie výsledky výpočtov nekovalentných  interakcií. Parametre budú optimalizované voči sade referenčných dát z populárnych databáz interakčných energií akými sú S22, S22x5, S66, a pod. Testovanie hybridných schém, t.j. obsahujúce aj atómovo  centrované difúzne funkcie, s cieľom nájdsť čo najekonomickejší model bez problémov s lineárnymi závislosťami.
  • Aplikácie nového MP3 modulu, metódy OVOS a mriežok bázových funkcií centrovaných mimo atómy: vytvorenie novej databázy presných interakčných energií veľkých systémov, štúdium neaditivity interakcií aminokyselinových reziduí a presné výpočty interakcií fragmentov proteínov s ligandami. Metóda OVOS bude aplikovaná na výpočty kovových klastrov a ich  interakcie s ľahkými atómami a iónmi. Taktiež budú vykonané výpočty medzimolekulových interakcií oxidov jódu s molekulami polutantov (napr. NxOy) a výpočty rýchlostných konštánt  premeny halogenovaných uhľovodíkov v atmosfére.
Socioekonomický a technologický dopad: 

Získané presné interakčné energie pre (relatívne) veľké nekovalentné komplexy majú zásadný význam pri vývoji (parametrizácii a validácii) výpočtovo efektívnych aproximatívnych metód.

Technická časť: 
  • Programové balíky: MOLCAS, ACES III
  • Paralelné výpočty budú uskutočnené na desiatkach až stovkách výpočtových jadier a maximálnym využitím dostupnej operačnej pamäte a rýchleho diskového priestoru do veľkosti desiatok TB.
Prepojenie s grantovými úlohami: 
VEGA 1/0092/14: Presný a výpočtovo efektívny kvantovo chemický popis nekovalentných interakcií.
Spolufinancovanie: 
2 050.00
Výstupy: 
Off-Center Gaussian Functions, an Alternative Atomic Orbital Basis Set for Accurate Noncovalent Interaction Calculations of Large Systems, M. Melichercik, M. Pitonak, V. Kello, P. Hobza, M. Urban, Journal of Chemical Theory and Computation 2013, 9, 5296.
Ab initio study of many-body decomposition of the interaction energy in small beryllium clusters Be_3_6, M. Sulka, M. Pitonak, I. Cernusak, M. Urban, P. Neogrady, Chem. Phys. Lett. 2013, 573, 8