Kvantum molekuladinamikai szimulációk: elmélet és alkalmazások az elektrontranszfer folyamatok vizsgálatára = Quantum Molecular Dynamics Modelling: Theory and Applications to Electron-Transfer Processes

摘要

Kutatásunk során kondenzált fázisú kémiai reakciók és relaxációs folyamatok alapvető összefüggéseit tanulmányoztuk egyszerű modellek kevert kvantumos klasszikus molekuladinamikai szimulációjával. A szimulációk alkalmazása mellett a kevert kvantumos klasszikus módszer elemzésével és fejlesztésével is foglalkoztunk. Pszeudopotenciál elméleti analízist hajtottunk végre az elektron-vízmolekula potenciálon, melynek során a hidratált elektron hagyományos üreg-modelljét megkérdőjelező modellek komoly hiányosságaira mutattunk rá. Hasonló érvelés alkalmazása segítségével kidolgoztunk egy új elektron-metanol molekula potenciált is. Negatívan töltött víz és metanol molekulafürtök tulajdonságainak vizsgálata során elemeztük a legfontosabb kölcsönhatásokat, konfigurációkat, és a rendszerek egyensúlyi és nem-egyensúlyi dinamikai viselkedését. Az alapállapot elemzésén túlmenően a molekulafürt negatív töltését adó felesleg elektron gerjesztését, majd az alapállapotba történő relaxáció mechanizmusát és sebességét is megvizsgáltuk. Szimulációs eredményeink a kísérleti mérésekkel kiváló összhangban állnak és a kísérletek egy teljesen új interpretációját teszik lehetővé. Kutatásunk során lehetőségünk nyílt a hidratált elektronnal kapcsolatos elméleti eredményeket összefoglaló tanulmányok megírására is mind angol, mind magyar nyelven. | We investigated the basic physical properties of simple systems modeling condensed phase chemical reactions and relaxation processes by the application of mixed quantum-classical molecular dynamics simulations. Besides performing simulations we also examined the methodology and improved important ingredients of the mixed quantum classical simulation technique. Pseudopotential theory based theoretical analysis of the electron-water molecule potential lead us to conclude that pseudopotentials questioning the traditional cavity model of the hydrated electron suffer from serious deficiencies. Based on similar arguments we developed a new electron-methanol molecule potential. We examined the physical properties of negatively charged water and methanol clusters starting from their most important interactions and configurations to their equilibrium and non-equilibrium dynamical behavior. In addition to analyzing the ground state properties, we simulated the excitation of an excess electron in water and methanol cluster anions, and examined the mechanism and calculated the rate of the electronic relaxation back to the ground state. The simulation results are in excellent agreement with experimental measurements, but at the same time offer a completely different interpretation of the data. In the research period we also had the opportunity to review the theoretical results on the hydrated electron subject both in Hungarian and English.