Nuovi metodi computazionali per studiare il comportamento degli elettroni
Gli ibridi globali, che sono esempi tipici di funzionali correlazione-scambio che utilizzano lo scambio esatto, sono tra i funzionali di densità più largamente usati nella chimica quantistica. Nonostante il loro successo, non sono in grado di riprodurre l’esatta energia di scambio in regioni con correlazione pari a zero o trascurabile. Queste regioni includono il nucleo, la coda di densità e le regioni a elettrone unico. La progettazione di funzionali XC senza l’impiego di un adattamento empirico relativo ai loro parametri si è finora rivelato un grosso problema. Nell’ambito del progetto CFMLHA (Development of modern density functional methods: Combining the correlation factor model and the local hybrid approach), gli scienziati hanno compensato la mancanza di tali funzionali progettando con successo nuovi funzionali XC non empirici, i quali costituiscono alternative migliori agli ibridi globali. L’attenzione si è concentrata sul modello del fattore di correlazione, che ha finora ricevuto scarsa attenzione. Per sviluppare i funzionali da esso, il team ha presentato nuove formule per la buca XC, le quali sono un prodotto di due fattori: la buca di scambio e il fattore di correlazione. La buca XC è una regione di spazio intorno un elettrone in cui la probabilità di trovare un altro elettrone è vicina allo zero. Al fine di ridurre la complessità, il modello del fattore di correlazione è stato basato su un modello di buca di scambio in grado di riprodurre l’esatta energia di scambio per ogni elettrone. Il modello della buca di scambio è stato poi moltiplicato per un fattore di correlazione costituito da cinque parametri. Il team ha sviluppato quattro modelli relativi al fattore di correlazione. Il modello XC e il fattore di correlazione sono stati attuati nell’ambiente di calcolo Mathematica e in una versione modificata di Gaussian, una suite di programmi di chimica quantistica disponibile in commercio. Le prestazioni di tutti i modelli di fattore di correlazione sono state valutate rispetto ai funzionali di uso comune. I risultati hanno dimostrato che l’approccio relativo al fattore di correlazione è abbastanza flessibile per costruire precisi funzionali basati sullo scambio, senza lo sviluppo parallelo di ibridi locali. Il progetto CFMLHA ha offerto nuovi percorsi per una progettazione di funzionali XC basata sul primo principio e sullo scambio esatto. Il progetto basato sul primo principio è fondamentale per la teoria della funzionale di densità: un metodo che ha rivoluzionato la chimica computazionale. I risultati del progetto vantano importanti implicazioni per diversi settori, tra cui biochimica o chimica medica, fisica, farmacologia, scienza dei materiali e catalisi.
Parole chiave
Correlazione di scambio, funzionali XC, chimica quantistica, energia di scambio, modello del fattore di correlazione