kvanttikemiaan

Kvanttikemia on kemian ala, joka soveltaa kvanttimekaniikkaa kemiallisen järjestelmän elektronirakenteen, energioiden ja reaktioiden selittämiseen sekä ennustamiseen. Sen tavoitteena on ymmärtää, miten elektronit jakaantuvat eli Auto- ja molekyylirakenteet määräytyvät sekä miten nämä rakenteet vaikuttavat kemiallisiin ominaisuuksiin ja reaktiohin.

Kvanttikemiallisessa tutkimuksessa tärkeitä peruskäsitteitä ovat Schrödingerin yhtälö, elektronien ja ydinmassojen erottaminen (nimenomaan Born–Oppenheimerin oletus) sekä potentiaalien pinnat eli energiapinnat. Elektroninen rakenne määräytyy useiden muuttujien funktiona, ja optimaalinen geometrian energian minimointi vastaa tavallisesti todellista rakennetta. Pintojen topologia liittyy reaktioiden mekanismeihin ja siirtymätilojen energioihin.

Menetelmät ja laskentataparat sisältävät ab initio -menetelmät (esim. Hartree–Fock, post-Hartree–Fock kuten MP2, CCSD(T)), tiukemmat korrelaatiomiekanismit sekä tiivistetymmät menetelmät kuten tiivistetty DFT (tiivisteet) ja semi-empiriset lähestymistavat. Laajempien järjestelmien kohdalla käytetään usein klassisin-makaanisesti lähestymistapoja tai hybridiratkaisuja. Tärkeää on valita sopiva perustelu ja laskentavaiheessa tehdä geometry-optimointi sekä usein vibratiivinen analyysi sekä termodynaamisia ominaisuuksia varten.

Kvanttikemiaa sovelletaan esimerkiksi molekyylien rakennemäärityksiin, reaktioenergioihin, spektroskooppiseen ennustamiseen (IR, Raman, UV-Vis) sekä materiaalien ja lääkkeiden suunnitteluun. Haasteina ovat laskennan kustannukset, menetelmien rajoitukset sekä tarkkuuserot erilaisten systeemien kohdalla. Alalla kehittyy jatkuvasti parempia funktionaalisia menetelmiä, multi-reference-tilojen käsittelyä ja hyödyntäviä koneoppimisen menetelmiä.