Kvantumkémia

Kvantumkémia on keemia haru, mis rakendab kvantmehaanika põhimõtteid molekulide elektronstruktuuri ja keemiliste omaduste, sealhulgas energiate, sidemete kujude ja spektrite uurimiseks. Kesksel kohal on Schrödingeri võrrandi lahendamine elektronidele, sageli Born–Oppenheimeri eraldusnurgaga. Kuna täislahendid suurtele molekulidele on arvutuslikult keerulised, kasutatakse erinevaid lähenemisi, mis annavad sobiva täpsuse ja arvutusliku koormuse tasakaalu.

Peamised meetodid jagunevad ab initio meetodite ja tihedusfunktsiooni teooria (DFT) vahel. Hartree–Fock (HF) annab esialgse elektronistruktuuri ilma kogu korrelatsiooni täieliku käsitlemiseta. Post-HF meetodid, nagu MP2 ja CCSD(T), parandavad elektronikorrelatsiooni kirjeldust. DFT pakub head tasakaalu täpsuse ja arvutusliku kulu vahel ning on väga laialdaselt kasutatav. Lisaks on olemas semiempirilised meetodid ja erinevad valemid dispersiooni ja relativistlike efektide arvutamisel. Olulised tööriistad on molekulide geomeetria optimeerimine, energiahindade ja potentsiaalpindade joonestamine ning vibratsioonianalüüs, mis võimaldab spektrite ja reaktsioonimehhanismide ennustamist.

Kvantumkémia leiab rakendust molekulide struktuuri ja energiate ennustamisel, spektri kirjeldamisel, reaktsioonimehhanismide mõistmisel ning materjalide ja ravimite arendamisel. Rakendused hõlmavad katalüüsi, nanomaterjale ja keskkonnaaspekte ning võimaldavad eksperimentidega tihedat koostööd. Piirangud tulenevad elektronikorrelatsiooni keerukusest, dispersioonijõudude ja relativistlike efektide vajadusest raskemate elementide puhul, suurtest arvutuslikest kuludest ning lahuste või keskkonna mõju mudeldamise piirangutest. Sellistes olukordades kasutatakse sageli QM/MM-lahendusi või implicit-lahendustehnikaid.

Ajalugu ja mõju: Kvantumkémia kujunes 20. sajandi kesk- ja lõpu jooksul. Aluseks olid Heitleri ja Londoni sidemete teooria ning Roothaani ja Hückeli tööde panused; 1965. aastal pakkusid Kohn ja Sham tihedusfunktsiooni teooria (DFT) ning see muutis kvantumkémia laialdaselt kasutatavamaks. Tänapäeval on kvantumkémia keemias oluline ettevalmistus- ja analüüsivahend ning see tugevdab tihedat koostööd eksperimentaalsete meetoditega.