quantumkjemi

Quantumkjemi, eller kvantekjemi, er en gren av kjemi som bruker kvantemekanikk for å forklare og forutsi egenskaper og reaksjoner hos molekyler og materialer. Hovedideen er å beskrive elektroners bevegelser ved hjelp av Schrödinger-ligningen, vanligvis under Born–Oppenheimer-tilnæringen, og å beregne energi som funksjon av molekylgeometri. Dette tillater prediksjon av geometri, energier, vibrasjoner og spektra, og gir innsikt i reaksjonsmekanismer som ofte kompliseres i laboratoriet.

Metoder og prinsipper: Løsningen skjer gjennom tilnærminger og beregningsverktøy. Vanlige metoder inkluderer Hartree-Fock (HF), som gir en elektronisk referanse uten korrelasjon; post-HF-metoder som MP2 og CCSD(T) for bedre elektronkorrelasjon; og kvantitativt populær DFT (densitetsfunksjonell teori) som bruker elektronfordelingen i stedet for mange-electron bølger. Kohn–Sham-tilnæringen og basissett er sentrale begreper. For eksiterte tilstander brukes TD-DFT eller mer avanserte metoder som EOM-CC.

Anvendelser: Kvantekjemi brukes til å forutsi molekylgeometri og energier, kartlegge reaksjonsveier og katalyse, beregne spektra og egenskaper, og støtte materialforskning samt legemiddelutvikling. Den gir dypere forståelse av elektronisk struktur når eksperimentell data ikke er tilgjengelige eller tolkes vanskelig.

Begrensninger og utvikling: Beregningskostnader øker raskt med systemstørrelse, og nøyaktigheten avhenger av valgt metode og basissett. Elektronkorrelasjon, van der Waals-interaksjoner og eksiterte tilstander representerer utfordringer. Feltet utvikler seg gjennom nye funksjonal og mer effektive beregningsmetoder og bredere programvare som Gaussian, ORCA, NWChem og PSI4.