Procesy chemiczne pod mikroskopem
Celem finansowanego przez UE projektu o nazwie "Dynamika kwantowa w przecięciach stożkowych" ('Quantum dynamics at conical intersections' - QDYNCI) było lepsze zrozumienie przebiegu reakcji chemicznych w obecności zjawisk kwantowych, takich jak energia zerowa, czy zjawiska adiabatyczne. By osiągnąć powyższy cel prace projektowe skupiono wokół trzech prostych procesów biocząsteczkowych. Reakcja wymiany wodoru (H + H2) stanowiła przedmiot szczególnego zainteresowania ze względu na jej niewielki rozmiar, który umożliwia prowadzenie specyficznych dla danego badania obliczeń wysokiego poziomu oraz bezpośrednich porównań. Analiza reakcji OH + H2 stanowiła wyzwanie obliczeniowe, wymagające zastosowania najnowocześniejszych technik, zwłaszcza w odniesieniu do prawdopodobieństwa zmiany stanu reakcji. Obydwa systemy charakteryzują się obecnością przecięć stożkowych. Trzeci z badanych procesów, reakcję H + CH4, wybrano jako prototypową, wieloatomową reakcję dwucząsteczkową. Naukowcy uczestniczący w projekcie QDYNCI zbadali możliwości indukowania stanów rezonansowych, w których funkcja falowa jest tymczasowo więziona w górnym stożku przecięcia. Rezonans ten, zwany rezonansem Slonczewskiego, występuje w szeregu reakcji chemicznych. Wyzwaniem było określenie warunków, w których powyższy rezonans się pojawia. Uczestnicy projektu założyli, że uchwycenie systemu w powyższym stanie pozwoli ulepszyć niektóre przejścia i spowodować interferencje kwantowe, pozwalając wywołać konkretny przebieg reakcji chemicznej. Badanie reakcji chemicznych charakteryzuje się pewnymi niedogodnościami. Jedną z nich jest wykładniczy wzrost liczby obliczeń wraz ze wzrostem stopnia reakcji. Drugim wyzwaniem jest dokładność i dostępność powierzchni energii potencjalnej ('potential energy surfaces' - PESs). By stawić czoła pierwszemu z tych wyzwań naukowcy zastosowali nowoopracowane podejście z dziedziny dynamiki molekularnej, w celu obliczenia szybkości reakcji. By stawić czoła drugiemu wyzwaniu, uczestnicy projektu QDYNCI opracowali proste rozwiązanie, oparte na hybrydowych PES. Dwie powierzchnie mogą być łączone dzięki wielomianowym funkcjom przełączającym, podczas gdy przejścia pomiędzy opisami dokonywane są w oparciu o pojęcie regionu zaufania. Łączenie obydwu poziomów obliczeń stanowi wydajną metodą zwiększania jakości opisu. Prace zrealizowane w ramach projektu QDYNCI stanowią wkład na rzecz lepszego zrozumienia mechanizmów zachodzących w niektórych procesach chemicznych.
