高效电子结构建模

化学可定义为核心领域电子运动研究,核心遵守量子动态规则电子系统N电子最优描述用N-电子波函数搭建,单电子波函数(轨道函数)受反对称原理约束主要问题是轨迹可能被强联动,从而使N-ecron波函数极复杂难解 — — 多电子波函数长度与电子数和轨迹数并发并发。Wenjian刘教授(中国山东大学)和协作者开发高效量子化学法,更好地计算电子相关关系,同时保持相对较低的计算资源需求

化学方面最小单元组成世界所有物-所有我们触摸、看到和呼吸-原子我们今天理解到,原子由质子和中子核心组成,电子环绕它旋转核心化学研究这些电子在核电场运动 以及电子对核电运动的影响

介于两个或两个以上原子以组成分子或分子自身间发生的任何化学活动都涉及电子运动电子可分享分子或原子,并提取或添加到分子或原子中不论何时发生化学反应,电子移动和重排列,过程的具体发生方式定义了我们观察和使用化学-它决定物理世界行为和规范规则正因如此,理解核心领域电子运动对理解化学和世界至关重要

量子域
多年以来,有数模型原子, 并多次尝试解释和预测电子运动电子极小移动速度极快,不仅难以直接观察(不可能),而且运动也停止顺从牛顿大学世界物理处理电子运动时, 我们进入量子动态领域, 在那里电子可被发现同时接受粒子和波特征, 一种被称为'波粒二元性'的现象量子动态中电子最优描述波函数 即电子分布数学描述

深入理解电子运动对理解化学和世界至关重要

舍丁格时代
描述系统内部电子的波函数显示为Schrödinger方程的解决方案本方程由Erwin Schrödinger于1926年首次发布,目前是最常用电子结构与运动理论模型,当相对效果不显著时最能计算实验观察已知Schrödinger方程解决方案显示电子不环绕原子核像环太阳行星事实上,电子密度有'云' 区域 核心周围有 找到电子的几率

电子密度概率的这些'云'可用电子轨道描述,我们所知道的电位数最大,但即使是这个显含模糊信息块也解锁了许多进一步开发Schrödinger方程开通新物理时代并允许对化学体系和过程作数学预测,从而产生“量子化学域”。开发并改进量子化学模型 刘文健教授在中国山东大学 理论计算科学学院的工作 极受重视

Schrödinger方程极限
Schrödinger方程只能完全解决氢原子问题,该原子最简单,只包含一电子和一质子解决Schrödinger方程简单模拟相对大重质子之间的交互作用,可视之为休眠式,轻电子极快地绕行,运动填充由相应的波函数定义的电子密度云Schrödinger方程完全可以解决电子质子交互作用问题,并因此实现对电子结构的精确描述和氢原子的能量实现

问题一出二电子 情况复杂超出精确解决问题在于定义一电子波函数取决于二电子特征,反之亦然正因如此,单电子需要我们所没有的解决方案,然后我们才能试图实现全系统解决方案 — — 显然是不可能实现的。计算电子关系难点是电子结构理论的主要挑战之一,目前有许多不同的计算方法试图解决它

优化猜想
为了解决电子相关挑战,计算方法通常会试图初步猜想从氢原子精确解析法中知道什么初始猜想建立后,计算方法将迭代优化猜想参数直到系统最精确描述实现

第一个挑战当然是实现初始猜想 并足以引导模型实现最精确结果通过识别和选择对描述给定系统所不可或缺的轨道函数(单电波函数)实现这一点。这些轨道对最终解决方案的精度有重大影响,因此需要精确处理集合这些密钥轨迹定义多电子函数的“活动空间”。所有其他轨迹都计算得更多近似值,因为它们不会因剧烈撞击最终结果

Schrödinger方程开通新物理时代并允许化学系统数学预测

刘教授及其协作者Peking大学(中国)张教授和北达科他大学(美国)霍夫曼教授正在改进量子化学方法研究者先前曾报告计算法,称为“配置与选择和二阶扰动理论交互作用”(iCIPT2),该方法已证明有效,以合理的计算费用提供任意复杂系统近似精确解决办法iCIPT2特别面向建模强关联系统,静态和动态相关关系紧密交织并互换,这对建模特别具有挑战性。iCIPT2方法不仅通过仔细选择多电子函数来计数,而且还使用高级数学算法为这些系统电子结构提供近似精确的解决方案

多不多
主动空间选择标准虽有改进,但必须铭记计算费用是最后选择所必备的。从技术上讲,如果系统所有可能的试功能都完全解决,最精确的解决方案就会实现,但这将导致不实用计算时间和内存使用

微量化学计算可快速变得昂贵, 即使是微量复杂性增量也是如此。举例说,为模拟最简单系统用于模拟生物重要含铁酶,铁硫聚类₂S级₂HCH语言₃4₂中需要包含至少240,374,016个函数

张刘霍夫曼进一步完善计算法选择标准和数据结构, 提高计算法效率新建标准受单参数控制,允许所有无关性函数在整个过程不动他们的努力使iCIPT2比原版效率高20倍,方法在精确建模基准强关联系统方面表现良好,如二元铬和二元₂.iCIPT2显示自己是一种计算法,可以提供极精度化工系统建模,而不会不合理地增加计算资源需求

开发新的改良量子化学方法,如张教授刘霍夫曼教授所为,对未来化学进步至关重要。量子化学除提供新奇和迄今尚未探索的化学系统外,还极有用帮助实验家理解他们的观察知识量子化学也可以作为一种预测工具帮助引导实验并避免费用更高耗时试探方法