kvantkjemiske

Kvantkjemi, eller kvantkjemiske metoder, er studiet av elektronstrukturen til atomer og molekyler ved hjelp av kvantemekanikk. Innenfor kvantkjemien antar man ofte Born–Oppenheimer-tilnæringen, der kjernene antas å være faste mens elektronene beveger seg. Løsningen av elektroniske Schrödinger-ligningen gir molekylære bølgeligninger som beskriver energinivåer og sannsynlige elektronfordelinger i et molekyl. Målet er å forutsi geometri, energier, reaksjonsveier og spektrale egenskaper med teoretiske beregninger.

De mest brukte metodene deles ofte i ab initio og semi-empiriske tilnærminger. Ab initio-metoder inkluderer Hartree–Fock og post-Hartree–Fock teknikker som MP2 og CCSD(T), som gradvis gir høyere nøyaktighet ved å korrigere elektronutveksling og korrelasjon. Density Functional Theory (DFT) gir et alternativ som bruker funksjonaler av elektronfordelingen for å beregne energier og egenskaper med ofte lavere regnekostnad enn høyere ordens post-HF-metoder. Forkortelser som SCF, basis-sett og ECP-er refers til kjernenegenskaper og valgte sannsynlighetsfunksjoner. For excited states anvendes TD-DFT eller mer avanserte metoder som EOM-CC for å beskrive elektroniske overganger.

Anvendelser spenner fra prediksjon av molekylær geometr i kjemi og reaksjonsmekanismer til beregning av energier, vibrasjonsspekter og fotokjemiske egenskaper. Innen materialvitenskap og katalyse brukes kvantkjemi til å forstå overflatesystemer, reaksjonskinetikk og egenskaper til nye molekyler og materialer. Verktøyene omfatter ulike programvarepakker som Gaussian, ORCA, GAMESS, Q-Chem og NWChem, som implementerer disse metodene og støtter geometri-optimalisering, frekvensanalyse og solventeffekter via implicitte modeller. Kvantkjemi utfyller ofte eksperimentelle studier ved å tilby molekylære innsikter og forutsigelser som ellers kan være utfordrende å måle direkte.