Кіріспе
Компьютерлік кванттық химия техникасының санаты. Ab initio кванттық химия әдістері – кванттық химияға негізделген есептеу химиясы әдістері. Ab initio терминін кванттық химияда алғаш рет Роберт Парр және оның әріптестері, соның ішінде Дэвид Крейг, бензолдың қозу күйлерін зерттеуде қолданды. Бұл жағдайды Парр сипаттады. Ab initio – "бастапқы қағидалардан" немесе "бастаптан" деген мағынаны білдіреді, яғни ab initio есептеулері үшін қажетті жалғыз деректер – физикалық тұрақтылар. Ab initio кванттық химия әдістері ядролардың орналасуы мен электрондар саны белгілі болғанда электрондық Шредингер теңдеуін шешу арқылы жүйенің электрондық тығыздығы, энергиясы және басқа да қасиеттері сияқты пайдалы ақпарат алуға бағытталған. Бұл есептеулерді жүргізуге қол жеткізу теориялық химиктерге көптеген мәселелерді шешуге мүмкіндік берді, ал олардың маңыздылығы Джон Поппл мен Уолтер Кохнға Нобель сыйлығының берілуімен назар аудартылды.
Ab initio quantum chemistry methods are computational chemistry methods based on quantum chemistry. The term ab initio was first used in quantum chemistry by Robert Parr and coworkers, including David Craig in a semiempirical study on the excited states of benzene. The background is described by Parr. Ab initio means "from first principles" or "from the beginning", implying that the only inputs into an ab initio calculation are physical constants. Ab initio quantum chemistry methods attempt to solve the electronic Schrödinger equation given the positions of the nuclei and the number of electrons in order to yield useful information such as electron densities, energies and other properties of the system. The ability to run these calculations has enabled theoretical chemists to solve a range of problems and their importance is highlighted by the awarding of the Nobel prize to John Pople and Walter Kohn.
Дұрыс және масштабтау
Ab initio электрондық құрылым әдістері релятивистік емес электрондық Шредингер теңдеуінің шешімі болып табылатын көп электронды функцияны есептеуге бағытталған (Борн-Оппенгеймер жуықтауында). Көп электронды функция, әдетте, көптеген қарапайым электрондық функциялардың сызықтық комбинациясы болып табылады, мұнда басым функция Хартри-Фок функциясы болып табылады. Осы қарапайым функциялардың әрқайсысы бір электрондық функцияларды қолдану арқылы жуықталады. Бір электрондық функциялар шекті функциялар жиынтығының сызықтық комбинациясы ретінде кеңейтіледі. Бұл тәсілдің артықшылығы – негіз жиынтығы толық жиынтықтың шегіне жақындағанда және барлық мүмкін конфигурациялар қосылғанда («Толық CI» деп аталады) нақты шешімге жуықтау мүмкіндігі. Дегенмен, шекке жақындау есептеу жағынан өте қиын, және көптеген есептеулер шектен алшақ. Соған қарамастан, осы шектеулі жіктемелерден маңызды қорытындылар жасалды. Ab initio әдістерінің есептеулік шығындарын қолдағы мәселеге сәйкес келіп-келмейтінін анықтағанда ескеру қажет. Молекулалық механика сияқты әлдеқайда аз дәл тәсілдермен салыстырғанда, ab initio әдістері көбінесе компьютер уақытын, жадты және дискідегі орынды көп қажет етеді, бірақ компьютерлік ғылым мен технологияның қазіргі заманғы жетістіктерімен мұндай мәселелердің маңыздылығы азайып келеді. Хартри-Фок (HF) әдісі номиналды түрде N⁴ (N – жүйе өлшемінің шамасы, негіз функцияларының саны емес) ретінде масштабталады. Мысалы, егер электрондар мен негіз функцияларының санын екі есеге арттырса (жүйе өлшемін екі есеге арттырса), есептеу бір итерация үшін 16 (24) есе ұзаққа созылады. Бірақ іс жүзінде ол N³-ке жақындауы мүмкін, себебі бағдарлама нөлдік және өте кішкентай интегралдарды анықтап, оларды ескермейді. Корреляциялық есептеулер нашар масштабталады, бірақ олардың дәлдігі әдетте жоғары, бұл ескеру қажетті айырбас. Танымал әдістердің бірі – Мёллер-Плессет бұзылу теориясы (MP). Екінші реттік (MP2) MP N⁴ ретінде масштабталады. Үшінші реттік (MP3) MP N⁶ ретінде масштабталады. Төртінші реттік (MP4) MP N⁷ ретінде масштабталады. Басқа әдіс, жеке және екілік кластерлермен біріктірілген кластер (CCSD), N⁶ және кеңейтімдер ретінде масштабталады, CCSD(T) және CR CC(2,3) N⁶ ретінде масштабталады, бір итерациялық емес қадаммен N⁷ ретінде масштабталады. Гибридтік тығыздық функционалдық теориясы (DFT) әдістері, Хартри-Фок алмасуын қамтитын функционалдыларды қолданады, Хартри-Фок сияқты масштабталады, бірақ үлкен пропорционалдық коэффициентімен, сондықтан эквивалентті Хартри-Фок есептеуінен қымбат. Хартри-Фок алмасуын қамтымайтын жергілікті DFT әдістері Хартри-Фоктан жақсырақ масштабталуы мүмкін.
Сызықтық масштабтау тәсілдері
Есептеу шығынының мәселесін жеңілдету схемалары арқылы азайтуға болады. Тығыздық сәйкестендіру схемасында электрон жұптарының өзара әрекеттесуін сипаттау үшін қолданылатын төрт индекстік интегралдар, олардың құрамындағы заряд тығыздықтарын қарапайымдатырылған түрде қарастыру арқылы екі немесе үш индекстік интегралдарға дейін қысқартылады. Бұл базалық жиын өлшеміне қатысты масштабтауды төмендетеді. Бұл схеманы қолданатын әдістер "df" префиксімен белгіленеді, мысалы, тығыздық сәйкестендіру MP2 – df MP2 (көптеген авторлар DFT-мен шатастырмау үшін кіші әріптерді пайдаланады). Жергілікті жақындасуда молекулалық орбитальдар алдымен орбитальдық кеңістікте бірлік айналым арқылы локалданады (бұл анықтамалық толқындық функцияны өзгеріссіз қалдырады, яғни жақындасу емес) және содан кейін локалданаған орбитальдардың алыс жұптары арасындағы өзара әрекеттесу корреляциялық есептеулерде ескерілмейді. Бұл молекуланың мөлшерімен масштабтауды күрт азайтады, бұл биологиялық өлшемдегі молекулаларды өңдеудегі маңызды мәселе. Бұл схеманы қолданатын әдістер "L" префиксімен белгіленеді, мысалы, LMP2.
Хартри-Фок және Хартри-Фоктан кейінгі әдістер
Ab initio электронды құрылымды есептеудің ең қарапайым түрі – Hartree–Fock (HF) схемасы, онда лезде пайда болатын Кулондық электрон-электрон тебілісі ерекше ескерілмейді. Есептеуде оның орташа әсері (орташа өріс) ғана ескеріледі. Бұл вариациялық процедура; сондықтан, алынған шамамен алынған энергиялар, жүйенің толқындық функциясы арқылы өрнектелгенде, әрқашан нақты энергияға тең немесе одан жоғары болады және негіздің мөлшері артқан сайын Hartree–Fock шегі деп аталатын шекті мәнге жақындайды. Көптеген есептеулер Hartree–Fock есептеуінен басталады, содан кейін электрон-электрон тебілісін түзетеді, бұл электрондық корреляция деп те аталады. Møller–Plesset бұрылыс теориясы (MPn) және байланысқан кластер теориясы (CC) осы Hartree–Fock-тан кейінгі әдістердің мысалдары болып табылады. Кейбір жағдайларда, әсіресе байланыс үзілу процестерінде, Hartree–Fock әдісі жеткіліксіз болады және бұл бір анықтағыш анықтамалық функциясы Hartree–Fock-тан кейінгі әдістер үшін жақсы негіз болып табылмайды. Сондықтан, бірнеше анықтағышты қамтитын толқындық функциядан бастау қажет, мысалы, көп конфигурациялық өзіндік дәйекті өріс (MCSCF) және осы көп анықтағыштық анықтамаларын жақсарту үшін пайдаланатын әдістер әзірленді. Содан кейін қызығушылық винилиденге (Si=SiH2) тең құрылымдардың болуына ауысты. Бұл құрылым жергілікті минимум болады деп болжанады, яғни Si2H2 изомері, ол негізгі күйден жоғарырақ, бірақ транс-бүгілген изомердің энергиясынан төмен. Содан кейін Генри Ф. Шефер III тобында Бренда Колегроув ерекше құрылымды жаңа изомерді болжады. Бұл құрылым үшін жергілікті минимумды алу үшін Hartree–Fock-тан кейінгі әдістерді қолдану қажет. Ол Hartree–Fock энергия гипербетінде жоқ. Жаңа изомер – бір көпірлік сутек атомы және бір терминалды сутек атомы бар жазық құрылым, көпірлік атомға цис-конфигурацияда. Оның энергиясы негізгі күйден жоғарырақ, бірақ басқа изомерлердің энергиясынан төмен. Кейіннен Ge2H2 үшін де ұқсас нәтижелер алынды. Al2H2 және Ga2H2 14-топ молекулаларына қарағанда екі электронға кем болғанына қарамастан, бірдей изомерлерге ие. Бір ғана айырмашылық – төрт мүшелі сақинаның негізгі күйі жазық және бүгілмеген. Цис-моно көпірлі және винилиденге ұқсас изомерлер бар. Бұл молекулалар бойынша тәжірибелік жұмыс оңай емес, бірақ сутек атомдары мен кремний және алюминий беттерінің реакциясы өнімдерінің матрицалық оқшаулау спектроскопиясы Si2H2 және Al2H2 үшін негізгі күйдегі сақиналық құрылымдарды және цис-моно көпірлі құрылымдарды анықтады. Тербеліс жиіліктерінің теориялық болжамдары қосылыстар қоспасының спектрлерін тәжірибелік бақылауларды түсінуде маңызды рөл атқарды. Бұл химияның түсініксіз саласы болып көрінуі мүмкін, бірақ көміртек пен кремний химиясының арасындағы айырмашылықтар әрқашан қызығушылық тудырады, сондай-ақ 13-топ пен 14-топ арасындағы айырмашылықтар (негізінен В және С айырмашылықтары). Кремний мен германий қосылыстары туралы Journal of Chemical Education журналында мақала жарияланды.
Кванттық Монте-Карло әдістері
HF-тің вариациялық шамадан тыс бағалауын бастапқыда болдырмайтын әдіс – кванттық Монте-Карло (QMC), оның вариациялық, диффузиялық және Грин функциясы түрінде. Бұл әдістер нақты корреляцияланған толқындық функциямен жұмыс істейді және Монте-Карло интеграциясын қолдана отырып интегралдарды сандық түрде есептейді. Мұндай есептеулер өте көп уақытты талап етеді. QMC-нің дәлдігі көп денелі толқындық функциялардың бастапқы шамасына және көп денелі толқындық функцияның түріне күшті түрде байланысты. Бір қарапайым таңдау – Слейтер-Джастроу толқындық функциясы, онда жергілікті корреляциялар Джастроу факторы арқылы қарастырылады. Sign Learning Kink (SiLK) негізіндегі кванттық Монте-Карло (QMC) әдісі кванттық механиканың Фейнманның жол интегралдық формуласына негізделген және атомдық және молекулалық жүйелерде энергияны есептеу кезінде минус белгісі мәселесін азайтуға мүмкіндік береді.