Számítógépes Kémia, IV. é. vegyész

Ismertető

Mintegy tíz-tizenöt éve, a számítógépes módszerek egyre nagyobb szerepet játszanak a kémiában is. Tulajdonképpen a kémia egy új ága keletkezett, a "számítógépes kémia" (computational chemistry), amit többek között számos kereskedelmi program megjelenése fémjelez. Ezeket a programokat elsősorban nem is az elméleti kémikus, hanem egyre inkább az "átlagvegyész" használja. A kollégium elsődleges célja az, hogy az ilyen jellegű munkához kellő elméleti hátteret adjon.

A technikai lebonyolítást tekintve, első alkalommal , 2003 tavaszán, ahhoz igazodtunk, hogy a hallgatóság összesen 6 fő volt. Ezért előadás helyett, együtt dolgoztunk fel egy, a területet kiválóan áttekintő könyvet (l. alább): egy-egy témáról egy-egy hallgató tartott előadást. Ezekhez csatlakozott egy számítógépi gyakorlat is, melynek során a hallgatók kereskedelmi programokkal maguk végeztek konkrét számításokat.

A tematika részleteit illusztrálják az alábbi vizsgakérdések, melyeket egy-egy téma "felelőseként" részben maguk a hallgatók szerkesztettek.

VIZSGAKÉRDÉSEK: Számítógépes Kémia, 2003. tavasz

Irodalom: Frank Jensen: Introduction to Computational Chemistry, Wiley, Chichester, 1999.

1. Fogarasi Géza: Molekuláris hiperfelületek

1.1. Kétatomos molekula potenciálfüggvénye; egyváltozós függvény gyökeinek iteratív meghatározása: Newton módszere.

1.2. Többváltozós függvények kritikus pontjai; szélsőérték keresése csak a függvényértékek felhasználásával: 'sequential univariate', a Fletcher-Powell-módszer. 1.3. A deriváltakat is felhasználó optimalizáló módszerek. a) gradient only: steepest descent, conjugate gradient.

b) gradient + Hessian: Newton-Raphson. 1.4. Az optimalizálás hatékonyságának szempontjai Pulay szerint: az algoritmus, a közelítő Hess-mátrix, a koordinátarendszer.

2. Czakó Gábor: Molekulamechanika

1. Mi a molekulamechanika lényege és mire használják? Milyen tagokból számítható a molekula energiája (csak felsorolás)?

2. Hogyan számítható a nyújtási energia? 3. Milyen közelítések vannak a van der Waals energiára? 4. Hogyan alkalmazható a molekulamechanika?

3. Borondics Ferenc: A kvantumkémiai módszerek áttekintése

1. Mutassa be vázlatosan a kvantumkémiai módszerek három alaptípusát.2. Mi az SCF, hogyan működik a Hartree Fock módszer esetében?

3. Soroljon fel konvergenciagyorsító eljárásokat és ismertesse működésüket vázlatosan. 4. Milyen problémák merülnek fel a két-, illetve négyelektron integrálok számításánál/tárolásánál és milyen megoldások léteznek?

4. Czinki Eszter: A) Relativisztikus módszerek. B) Hullámfüggvény-analízis

A1. Milyen atomi tulajdonságokat lehet csak relativisztikus hatások figyelembe vételével megmagyarázni? Hogyan jelenik ez meg makroszkópikus szinten (mondj példat)? A2. Kvantumkémiai számítások során milyen módszerekkel/szinteken lehet relativisztikus hatásokat figyelembe venni?

B1. Mi a célja a hullámfüggvény-analízisnek? (Miért van rá szükség?) Sorolj fel néhány módszert / módszertípust ezen témakörben!

B2. Mi az Atoms In Molecules (AIM) módszer lényege?

5. Nagy Ádám: Átmeneti Állapot -Elmélet, Statisztikus Mechanika, Minimumkeresés

1.Ismertesd röviden az Átmeneti Állapot - Elmélet (TST, Transition State Theory) lényegét és kapcsolatát a statisztikus mechanikával!

2. Jellemezd címszavakban a statisztikus mechanika legfontosabb függvényét, a q állapotösszeget, négy jellemző tagjának segítségével!

3.Sorolj fel néhány módszert, amely használható az Átmeneti Szerkezet (TS, Transition Structure) optimalizálására. Egyet jellemezz kicsit részletesebben! 4. Milyen nagyobb csoportokra osztható a globális minimumkeresési módszerek családja? Hogyan használhatók a genetikai algoritmusok nagy molekulákra?

6. Zádor Judit: Az elektronszerkezet kvalitatív elméletei.

1. Ismertesd a DFT elméletén keresztül, hogy a jelentõs elhanyagolások ellenére miért sikeres az FMO. 2. Mutasd be a Woodward-Hoffmann szabályokat a butadién és az etilén reakcióján keresztül (ábra mellékelve lesz). 3. A Marcus elmélet. 4. More O'Ferral-Jenks diagramok

7. Bányász Ákos: Szimulációk, időfüggő módszerek és szolvatációs modellek

1. Mutasd be, hogyan lehet egy molekuladinamikai szimuláció során mikroszkópikus fizikai mennyiségekból a makroszkópikusokat meghatározni! (Szempontok: átlag, hibák, ergodikus hipotézis, korreláció és mintavételezés.)

2. Ismertesd röviden a molekuladinamikai szimulációkban használt Verlet és leap-frog (bakugrás) algoritmusokat! Sorold fel az előnyeiket és hátrányaikat!

3. Ismertesd röviden a periodikus határfeltételt és a távolható kölcsönhatások számításának módszereit (Ewald, FMM)!

4. Mutasd be röviden az Self Consistent Reaction Field (SCRF) módszert! Sorold fel, hogy milyen szempontok (5 db) szerint csoportosíthatjuk az Reaction Field módszereket! Ismertesd az oldott anyag molekulája által elfoglalt üreg számításba vételének lehetőségeit!

2004. április Fogarasi Géza