Theory and simulation of charge transfer through molecular bridges, aggregates and wires: quantum coherence, dissipation and complexity

• Applicants: Professor Dr. Thorsten Koslowski; Dr. Lothar Mühlbacher
• Subject Area: Theoretical Chemistry: Electronic Structure, Dynamics, Simulation
• Term: from 2009 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 102950400

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurde der Ladungstransfer durch molekulare Systeme und Aggregate aus theoretischer Sicht betrachtet. Das erste Teilprojekt widmete sich dem Ladungstransfer in Proteinen. Als Modellsystem diente das bakterielle Photoreaktionszentrum aus Rps. viridis. Hier konnten wir zeigen, dass ein Eisenkomplex als Superaustauschpartner zwischen zwei Chinonen vermittelt, und dass nur zwei von vier Redoxzentren einer Häm-Untereinheit direkt am Transport von Ladung beteiligt sind. Begleitend dazu wurde das Verfahren der thermodynamischen Integration auf Ladungstransferreaktionen angewandt und eine asymmetrische und zeitabhängige Variante des Standardansatzes für solche Reaktionen, der Marcus-Theorie, entwickelt und untersucht. Über diese Theorie hinausgehend wurde in einem zweiten Teilprojekt ein quantenmechanisches Pfadintegralverfahren (PIMC) implementiert. Es wurde in einem ersten Test auf ein Modell des Energietransfers im Fenna-Matthews‐Olson‐ Protein angewandt. Als Modell für Ladungstransfer wurde anschließend das Anderson-Holstein-Modell untersucht. Hier liefert das PIMC-Verfahren einen Überblick über die für den Ladungstransfer relevanten mikroskopischen Parameter. Daneben sagt es einen Übergang von der einfachen zur bistabilen Lokalisierung von Phononen als Funktion der Stärke der Elektron‐Phonon‐Kopplung voraus.

Publications

• Direct simulation of electron transfer reactions in DNA radical cations, J. Phys. Chem. B 112, 16935 (2008)
  T. Steinbrecher, T. Koslowski, D.A. Case
  
• A direct simulation of adiabatic charge transfer through bridged triarylamine cations, Zeitschrift für Physikalische Chemie, 223, 739 (2009)
  T. Steinbrecher, T. Koslowski
  
• Water induced polaron formation at the pentacene surface: insights from QM-MM simulations, Phys. Rev. B 79, 155316 (2009)
  T. Cramer, T. Steinbrecher, T. Koslowski, D.A. Case, F. Biscarini, F. Zerbetto
  
• The thermodynamics of charge transfer in DNA photolyase - using thermodynamic integration calculations to analyze the kinetics of electron transfer reactions, PCCP 12, 9516 (2010)
  S. Krapf, T. Koslowski, T. Steinbrecher
  
• The simulation of interquinone charge transfer in a bacterial photoreaction center highlights the central role of a hydrogen-bonded non-heme iron complex, BBA Bioenergetics 1807, 53 (2011)
  F. Burggraf, T. Koslowski
  
• Unexpexted electron transfer in cryptochrome identified by time-resolved EPR spectroscopy, Angew. Chem. Int. Ed. 50, 12647 (2011)
  T. Biskup, K. Hitomi, E.D. Getzoff, S. Krapf, T. Koslowski, E. Schleicher, S. Weber
  
• Recent progress in biological charge transfer theory and simulation, BBA Bioenergetics 1817, 1955 (2012)
  T. Koslowski, F. Burggraf, S. Krapf, T. Steinbrecher, C. Wittekindt
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2012.02.025)
• The road not taken: a theoretical view of an unexpected cryptochrome electron transfer path, PCCP 14, 11518 (2012)
  S. Krapf, S. Weber, T. Koslowski
  
• Charge transfer in strongly correlated systems: an exact diagonalization approach to model Hamiltonians, J. Chem. Phys. 140, 134101 (2014)
  A. Schöppach, D. Gnandt, T. Koslowski
  (See online at https://doi.org/10.1063/1.4869520)
• Charge transfer through a cytochrome multiheme chain, BBA Bioenergetics 1837, 186 (2014)
  F. Burggraf, T. Koslowski
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2013.09.005)