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Post Born-Oppenheimer Approximation for Semiclassical Spectroscopy Investigation of Proton-Coupled Electron Transfer Processes

Descrizione del progetto

Una migliore dinamica molecolare per decifrare gli effetti quantistici nei processi molecolari

Tradizionalmente, i chimici utilizzano l’approssimazione di Born-Oppenheimer (BO), che semplifica la dinamica molecolare trattando separatamente i moti elettronici e quelli nucleari. Inoltre, il moto nucleare viene solitamente simulato in modo classico. Tuttavia, questo non rende pienamente conto della complessità molecolare. Ad esempio, gli effetti post-BO e gli effetti quantistici nucleari sono fondamentali nel trasferimento di elettroni accoppiato a protoni – una reazione che comporta il trasferimento di almeno un elettrone e un protone, fondamentale per la fotosintesi e per molti processi biologici. Il progetto NEOSC, sostenuto dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, combina l’approccio orbitale nucleare-elettronico (che include i protoni nei calcoli elettronici) con la rappresentazione semiclassica dei valori iniziali (per cogliere gli effetti quantistici per altri nuclei). Questo quadro consentirà simulazioni di spettroscopia vibrazionale più accurate e fornirà una comprensione più approfondita dei processi chimici non classici.

Obiettivo

The Born-Oppenheimer Approximation (BOA) has determined how chemists describe molecules since 1927. BOA separates electronic and nuclear degrees of freedom, considering that the electron timescale is much shorter than the nuclear one. This assumption does not hold in Proton Coupled Electron Transfer (PCET) processes. PCET is the key to efficiency in biological photosynthesis. Time-Resolved Infrared spectroscopy (TRIR) assists PCET investigations but it is usually interpreted with harmonic frequency calculations or classical nuclear dynamics simulations on a BO potential energy surface. To gain further physical insights into PCET it is necessary to revise the theoretical framework for spectroscopy, going beyond the BOA and including a quantum treatment for all nuclei. To reach this goal, this project unifies two cutting-edge methods. One is the Nuclear Electronic Orbital (NEO) approach that goes beyond the BOA by including into the electronic structure calculations the PCET transferred proton. The other is the Semiclassical Initial Value Representation technique that simulates IR spectra by accounting for quantum effects, such as the zero-point energy, overtones, or tunneling, for all nuclei, even in large molecular systems. The project will introduce a new post-BOA conceptual picture for vibrational spectroscopy. Specifically, semiclassical nuclear density calculations will be used to tailor new basis sets to efficiently simulate large molecular systems, gradually including many protons and other nuclei in the NEO wavefunction. In this way, a new spectroscopy theory will be developed for the simulation of TRIR spectra at semiclassical accuracy on NEO post-BOA PESs. These advances will be implemented in an open-source code that we employ to study prototypical PCET systems and gain accurate mechanistic information. This new knowledge will foster applied research by exploiting a deeper understanding of the PCET processes.

Campo scientifico (EuroSciVoc)

Parole chiave

Programma(i)

Argomento(i)

Meccanismo di finanziamento

HORIZON-TMA-MSCA-PF-GF - HORIZON TMA MSCA Postdoctoral Fellowships - Global Fellowships

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Invito a presentare proposte

(si apre in una nuova finestra) HORIZON-MSCA-2022-PF-01

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Coordinatore

UNIVERSITA DEGLI STUDI DI MILANO
Contributo netto dell'UE
€ 288 859,20
Indirizzo
Via Festa Del Perdono 7
20122 Milano
Italia
Regione
Nord-Ovest Lombardia Milano
Tipo di attività
Higher or Secondary Education Establishments
Collegamenti
Costo totale
Nessun dato

Partner (1)