Kvantekjemi

Kvantekjemi er et felt som bruker kvantemekanikk til å beskrive elektronfordelingen i atomer og molekyler, og dermed molekylenes struktur, energinivåer, egenskaper og reaksjoner. Målet er å beregne bølgefunksjoner, energier og observables som geometrier, vibrasjoner og spektra, samt å forutse reaksjonsdener og mekanismer.

Grunnleggende rammeverk inkluderer løsningen av Schrödinger-ligningen under Born–Oppenheimer-tilnærmingen, der kjernebevegelsene antas å være faste mens elektronene beskrives. I praksis brukes ulike beregningsmetoder, ofte inndelt i ab initio (før-empiriske) metoder og semiemperiske metoder, med uttrykk i valgte basissett.

De mest brukte ab initio-metodene inkluderer Hartree–Fock (HF) og post-HF-metoder som MP2 og CCSD(T), samt densitetsfunksjonsteori (DFT). DFT er utbredt på grunn av god balanse mellom nøyaktighet og beregningskostnader, og evnen til å håndtere større systemer. For excited states brukes ofte TD-DFT (time-dependent DFT) og andre, mer kostbare metoder.

Beregningsmessige detaljer inkluderer valg av basissett, beskrivelse av elektronkorrelasjon og relativistiske effekter, samt metoder for eksitasjonstilstander. Kvantekjemi omfatter også konseptuelle verktøy som potentialenergy surfaces og reaksjonskoordinater, som er sentrale i studiet av reaksjoners mekanismer og termodynamikk.

Anvendelser spenner fra å predikere strukturer, energifradrag og termodynamikk til å beregne vibrasjons- og elektroniske spektra. Innen kjemi, materialvitenskap og farmasøytytvikling brukes kvantekjemi til å tolke eksperimenter og veilede utvikling av nye forbindelser og katalysatorer.