Entwicklung eines auf Thermochemie optimierten Local-Hybrid Dichtefunktionals

• Antragsteller: Dr. Henryk Laqua
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529879166

Genaue aber gleichzeitig effiziente Elektronenstrukturmethoden sind essentiell für die Weiterentwicklung der theoretischen Chemie mit breiten Anwendungsmöglichkeiten, von Materialwissenschaften bis hin zu computergestützen Medikamentenentwicklung. In diesem Kontext bietet Kohn-Sham Dichtefunktionaltheorie (KS-DFT) und insbesondere hybrid-DFT einen exzellenten Kompromiss zwischen Genauigkeit und Effizienz, weshalb sie als "Arbeitspferd" der Computerchemie bezeichnet wird. Deshalb zielt dieses Projekt darauf ab, hybrid-DFT noch weiter zu entwickeln indem ihre Genauigkeit weiter verbessert wird, vor allem für ungewöhnliche/schwierige Elektronenstrukturen, die stark von statischer Korrelation bzw. Selbstwechselwirkung dominiert sind. Dieses Ziel soll durch die Weiterntwicklung der sehr erfolgreichen global-hybrid Dichtefunktionalnäherung (DFA) ωB97M-V, welche in der Gruppe von Martin Head-Gordon (dem Gastgeber dieses Projekts) entwickelt wurde, zu einem local-hybrid DFA erreicht werden. Im Gegensatz zu einer global-hybrid DFA, kann in einer local-hybrid DFA der Anteil an exaktem Austausch - typischerweise der ausschlaggebende Faktor für die Genauigkeit - flexibel an die Elektronenstruktur des jeweiligen Systems angepasst werden, was so die Genauigkeit vor allem für exotischere Strukturen verbessert. Durch die jüngsten Verbesserungen von seminumerischen Integrationstechniken, insbesondere die sn-LinK Methode, welche ich in meiner Doktorarbeit entwickelte, können nun local-hybrid DFAs mit fast derselben derselben Rechenzeit wie global-hybrid DFAs berechnet werden. Deshalb bietet sich nun eine außergewöhnliche Möglichkeit, genauere local-hybrid DFAs zu konzipieren, um so die Vorteile von seminumerischer Integration optimal auszunutzen. Dabei ist dieses Projekt in drei Teile gegliedert, jeweils 12 Monate Arbeitszeit umfassend, was einer Summe von 36 Monaten entspricht, wobei 24 Monate von der DFG und 12 Monate von der UC Berkeley finanziert werden. In den ersten 12 Monaten planen wir, ausführliche Benchmark-Tests von ωB97M-V Varianten mit unterschiedlichen Anteilen von exaktem Austausch durchzuführen, um so ein besseres physikalisches Verständnis für den Einfluss von exakten Austausch auf die Genauigkeit von ωB97M-V für verschiedenste Systeme zu erhalten. Für die nächsten 12 Monaten planen wir dann, dieses Verständnis zu Formulierung der mathematischen Form der local-hybrid Erweiterung von ωB97M V zu verwenden, wobei die größte Herausforderung in der Formulierung der local-mixing function (LMF) liegt, welche den Anteil an exaktem Austausche für jeden Referenzpunkt definiert. In den letzen 12 Monaten planen wir dann, die so entwickelte DFA an weiteren molekularen Eigenschaften, wie z.B. Geometrien, Schwingungsfrequenzen oder Polarisierbarkeiten zu testen und ggf. daran weiter zu optimieren. Auf diese Weise können wir dann ihre Nützlichkeit für verschiedenste Anwendungen der theoretischen Chemie bewerten.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Martin Head-Gordon