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Boosting the performance of Quantum Chemistry for nanocatalysts, biomolecules and graphene layers by solving the fundamental drawback of van der Waals interactions in Density Functional Theory

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Schwache Kräfte in großen Makromolekülen

EU-finanzierte Wissenschaftler haben eine der wichtigsten, heute im Einsatz befindlichen Methoden der Quantenchemie erweitert, um damit eine ernsthafte Einschränkung zu umgehen. Die Open-Source-Software wird auf große Systeme wie beispielsweise Peptide anwendbar sein, um zu Erkenntnissen neuer Art zu gelangen.

Industrielle Technologien

Eine der leistungsfähigsten quantenchemischen Verfahren, die heute den Wissenschaftlern zur Verfügung stehen, ist die Dichtefunktionaltheorie (DFT). Seine elegante Einfachheit steht in Kombination mit einer direkten Bindung an die experimentell beobachtbare Quantität und Elektronendichte. Das zusammen ermöglicht es, Probleme schneller zu lösen und Herausforderungen zu meistern, die mit anderen Verfahren nicht lösen sind. Die an dem Projekt BOOSTQUANTUMCHEM arbeitenden Wissenschaftlern nahmen sich des wesentlichsten Nachteils der Methode an. Bisher konnten mittels DFT nicht in angemessener Weise die Van-der-Waals-Kräfte oder Wechselwirkungen, relativ schwache reine inter- und intramolekularen Kräfte, beschrieben werden, die für den chemischen Charakter der Verbindungen eine grundlegende Rolle spielen. Sie resultieren aus quantendynamischen Korrelationen in fluktuierenden Polarisationen naher Teilchen. Die DFT ist gegenwärtig das einzige Verfahren, das auf Systeme von ausgedehnter Größe wie etwa Peptide, Nanoröhren und Graphenschichten angewendet werden kann. Allerdings können hier die Van-der-Waals-Wechselwirkungen, insbesondere die London-Dispersion, nicht genau berücksichtigt werden, die oft ein entscheidender Faktor für die Stabilität derartiger Systeme ist. Die Wissenschaftler entwickelten ein neuartiges Verfahren (BH-DFT-D) durch Hinzufügen einer Energiekorrektur, die aus nicht lokalen Informationen über die intermolekulare Störungstheorie abgeleitet wird. Die Macht des Verfahrens erwächst aus seiner starken nicht-empirische Natur, wobei Mengen zum Einsatz kommen, die aus den ersten Prinzipien der Quantenmechanik berechnet werden. In seiner endgültigen Form kombiniert das BH-DFT-D-Verfahren eine kommerzielle quantenchemische Software mit der von den Projektwissenschaftlern entwickelten Open-Source-Software. Es ist auf vielfältige Probleme in der Katalyse sowie in der Physik, Medizin, im Kunststoffsektor, in der Biochemie und in den Materialwissenschaften anwendbar. Die BOOSTQUANTUMCHEM-Ergebnisse werden einen wichtigen Beitrag zur effizienten Erkundung und zuverlässigen Beschreibung der Eigenschaften und des Verhaltens von großen Makromolekülen leisten.

Schlüsselbegriffe

große Makromoleküle, quantenchemische Methoden, Peptide, Dichtefunktionaltheorie, Van-der-Waals-Kräfte, Nanoröhren, Graphenschichten, London-Dispersion intermolekulare Störungstheorie, chemische Software, Materialwissenschaften, Werkstoffkunde

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