Kvanttikemian

Kvanttikemia on kemian ala, jossa kvanttimekaniikkaa sovelletaan kemiallisten järjestelmien rakenteen ja reaktioiden ymmärtämiseen sekä ennustamiseen. Keskeinen tavoite on ratkaista elektronien liikkeen kuvaava Schrödingerin yhtälö, ja tämän avulla voidaan laskea molekyylin geometria, energia sekä ominaisuudet kuten spektroskooppiset siirtymät ja dipolimien arvot. Ydinliikkeet usein käsitellään Born–Oppenheimer-olettaman avulla, jolloin elektroninen rakenne ratkaistaan ilman ydinliikkeiden vaikutusta.

Menetelmät ja käytäntö: Ab initio -menetelmät rakentuvat elektronisen rakenteen luotettavasta ratkaisemisesta Hartree–Fock -menetelmällä, jota seuraavat korrelaatiota käsittelevät post-HF-menetelmät kuten Møller–Plesset (MP) ja CCSD(T). Tiheysfunktionaaliteoriaan (DFT) perustuvat menetelmät tarjoavat usein hyvän tasapainon tarkkuuden ja kustannusten välillä: elektronisen vuorovaikutuksen kuvataan tiheysfunktionaalien avulla. Semiparhaamilaiset menetelmät ovat nopeita suurissa järjestelmissä. Basisjoukot muodostavat orbitalien tilat, ja potentiaalienergiapiirroksia käytetään reaktioiden energioiden ja rakennemuutosten analysointiin. Solventti-ympäristöjen vaikutukset voidaan kuvata malleilla kuten PCM.

Kvanttikemian sovellukset kattavat rakenteen optimoinnin, reaktiomekanismin selvittämisen, spektrianalyysin ennustamisen (IR-, NMR-, UV-Vis), sekä materiaalitutkimuksen, katalyysin ja lääkeaineiden suunnittelun. Haasteina ovat laskennan kustannukset ja menetelmien tarkkuus, erityisesti suurissa tai monimutkaisissa järjestelmissä sekä inhomogeenisten ympäristöjen käsittely.