Chemia obliczeniowa

Chemia obliczeniowa stała się w ostatnich latach jednym z podstawowych narzędzi badawczych zarówno w samej chemii, jak i naukach pokrewnych. Dynamiczny rozwój tej dziedziny był możliwy dzięki ogromnemu wzrostowi dostępnych mocy obliczeniowych, ale też dzięki postępowi dokonanemu na polu samych metod obliczeniowych oraz poprawie wydajności algorytmów i implementującego je oprogramowania Niniejsza książka została napisana z myślą o dostarczeniu krótkiego i łatwo przyswajalnego wstępu do wszystkich kluczowych metod i technik używanych w dziedzinie. W szczególności obejmuje ona zagadnienia związane z opisem struktury elektronowej metodami chemii kwantowej, mechaniką molekularną, zagadnieniami optymalizacji geometrii, technikami symulacji molekularnych, mechaniką statystyczną oraz metodami o charakterze hybrydowym. Zamiast systematycznego opisu chemii teoretycznej, nacisk został w niej położony na wyjaśnienie kluczowych aspektów związanych z zasadami działania poszczególnych metod. Z rozmysłem zrezygnowano również z rozbudowanego opisu matematycznego omawianych zagadnień. Książka jest adresowana przede wszystkim do studentów wyższych lat studiów licencjackich, jednakże może się również okazać wartościowa dla studentów studiów wyższych stopni oraz naukowców planujących podjęcie badań z wykorzystaniem metod chemii obliczeniowej. Co więcej, w obecnych czasach, niemal każda osoba zajmująca się naukowo chemią napotka w literaturze dotyczącej przedmiotu swoich badań prace obliczeniowe. Książka ta może się w takich przypadkach okazać pomocna przy identyfikacji zastosowanych tam metod oraz ocenie wiarygodności prezentowanych wniosków.

Spis treści

Przedmowa VIII Podziękowania IX 1. Obliczenia komputerowe w chemii 1 1.1. Wprowadzenie 1 1.2. Teorie chemiczne a chemia obliczeniowa 1 1.3. Jak działąją komputery? 2 1.4. Typy metod obliczeniowych 5 1.5. Formalizm matematyczny 5 1.6. Ćwiczenia i przykładowe obliczenia 5 1.7. Literatura uzupełniająca 6 1.8. Ćwiczenia 6 1.9. Podsumowanie 7 2. Chemia kwantowa 8 2.1. Wprowadzenie 8 2.2. Metoda Hartree-Focka 9 2.3. Praktyczne aspekty obliczeń w ramach metody Hartree-Focka 12 2.4. Funkcja falowa i energia w metodzie Hartree-Focka 16 2.5. Metoda Hartree-Focka z restrykcja i bez restrykcji spinowej 20 2.6. Bazy funkcyjne 22 2.7. Literatura uzupełniająca 28 2.8. Ćwiczenia 28 2.9. Podsumowanie 28 3. Metody chemii kwantowej 30 3.1. Wprowadzenie 30 3.2. Metody ab initio uwzględniające korelację elektronowa 30 3.3. Podejście wariacyjne: metoda mieszania konfguracji 31 3.4. Podejście perturbacyjne: metoda Mollera-Plesseta 35 3.5. Metody typu sprzężonych klastrów 36 3.6. Bazy funkcyjne, korelacja elektronowa, metody skorelowane 38 3.7. Metody wieloreferencyjne 40 3.8. Teoria funkcjonału gęstości 46 3.9. Metody półempiryczne 49 3.10. Ciała stałe i modele periodyczne 49 3.11. Własności molekularne 51 3.12. Literatura uzupełniająca 51 3.13. Ćwiczenia 52 3.14. Podsumowanie 52 4. Mechanika molekularna 53 4.1. Wprowadzenie 53 4.2. Pola siłowe MM 54 4.3. Zestawy parametrów 57 4.4. Układy periodyczne i promienie odcięcia 59 4.5. Praktyczne aspekty metod mechaniki molekularnej 62 4.6. Literatura uzupełniajaca 63 4.7. Ćwiczenia 64 4.8. Podsumowanie 64 5. Optymalizacja geometrii 65 5.1. Wprowadzenie 65 5.2. Własności powierzchni energii potencjalnej 65 5.3. Metody optymalizacji geometrii 71 5.4. Optymalizacja geometrii za pomocą metod kwantowochemicznych 73 5.5. Optymalizacja geometrii za pomocą mechaniki molekularnej 78 5.6. Właściwości zoptymalizowanych struktur: częstości drgań 79 5.7. Stany przejściowe i ścieżki reakcji 81 5.8. Literatura uzupełniająca 84 5.9. Ćwiczenia 85 5.10. Podsumowanie 85 6. Metody dynamiczne 86 6.1. Wprowadzenie 86 6.2. Równania ruchu Newtona 86 6.3. Symulacje dynamiki molekularnej 88 6.4. Symulacje Monte Carlo 94 6.5. Symulacje dla biocząsteczek 95 6.6. Literatura uzupełniająca 96 6.7. Ćwiczenia 97 6.8. Podsumowanie 97 7. Stałe szybkości i równowagi 98 7.1. Wprowadzenie 98 7.2. Termodynamika statystyczna i równowaga 98 7.3. Teoria stanu przejściowego 103 7.4. Entalpie swobodne z symulacji MD i MC 104 7.5. Techniki rozszerzonego próbkowania 109 7.6. Literatura uzupełniająca 113 7.7. Ćwiczenia 114 7.8. Podsumowanie 114 8. Metody hybrydowe i wieloskalowe 115 8.1. Wprowadzenie 115 8.2. Ciągłe modele otoczenia 116 8.3. Metody hybrydowe 122 8.4. Modele gruboziarniste w mechanice molekularnej 124 8.5. Literatura uzupełniająca 125 8.6. Ćwiczenia 125 8.7. Podsumowanie 126 9. Podsumowanie 127 9.1. Wprowadzenie 127 9.2. Planowanie projektu obliczeniowego 127 9.3. Podsumowanie 129 Literatura uzupełniająca w języku polskim 131 Indeks 132