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Vibrational Spectroscopy for Molecular Crystals via Quantum-Mechanical Embedding Methods

Description du projet

Une approche peu coûteuse pour l’étude des spectres de vibration des cristaux moléculaires

L’étude informatique des phases moléculaires condensées représente un problème notoirement difficile. Le coût informatique accru associé à la modélisation des états excités est encore aggravé par la nécessité de disposer de systèmes de plus grande taille dans ces matériaux. Le projet VibMolCryst, financé par l’UE, utilisera l’approche hybride mécanique quantique/mécanique moléculaire (MQ/MM) pour étudier les spectres de vibration et les propriétés des cristaux moléculaires. Cette méthode combine la précision et la rapidité des approches MQ et MM, respectivement. Cette méthode abordable au niveau informatique devrait faciliter l’interprétation des spectres térahertz à basse fréquence, utilisés par exemple pour la détection des explosifs. Qui plus est, elle pourrait accroître la précision des stabilités thermodynamiques calculées, ce qui est crucial pour le développement de médicaments.

Objectif

By this project, the routine calculation of anharmonic vibrational spectra and properties for practically relevant molecular crystals will be enabled via the usage of a quantum-mechanical (QM:QM) embedding approach. All monomers and relevant dimers are treated with a high-level method, while the fully periodic system is considered at a lower level. Highly accurate vibrational spectra can be obtained for small molecular systems with benchmark CCSD(T) utilizing second-order vibrational perturbation theory (VPT2) only with a computational cost prohibitive for routine applications involving larger systems. Therefore, the applicant will create a diverse benchmark set of monomers and molecular dimers covering a wide range of intermolecular interactions and subsequently benchmark the performance of various dispersion-inclusive density functional approximations (DFA) against CCSD(T) for vibrational properties calculated with VPT2, independent Morse oscillators, and the harmonic approximation. Next, the QM:QM embedding approach for molecular crystals will be extended from available gradients to the calculation of harmonic vibrational spectra, which will already enable the usage of hybrid DFAs at a cost comparable to the generalized-gradient approximation. Subsequently, VPT2 calculations for monomers and dimers will be incorporated in the embedding scheme and the accuracy of the so obtained anharmonic vibrational spectra will be assessed for a variety of molecular crystals using promising DFAs identified during the first stage of the project. This methodology will be computationally affordable for practically relevant molecular crystals and is expected to aid peak assignments and interpretation of low-frequency THz spectra—used for instance for the detection of explosives. This approach is also expected to increase the accuracy of calculated thermodynamical stabilities, which is critical for drug development since existing molecular crystal polymorphs are almost degenerate.

Coordinateur

UNIVERSITAET GRAZ
Contribution nette de l'UE
€ 174 167,04
Adresse
UNIVERSITATSPLATZ 3
8010 Graz
Autriche

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Région
Südösterreich Steiermark Graz
Type d’activité
Higher or Secondary Education Establishments
Liens
Coût total
€ 174 167,04