Excitonic Hamiltonians для расчета оптической абсорбции спектра и оптоэлектронные свойства молекулярных агрегатов и твердых веществ
27 мая 2020 г.
Здесь мы представляем протокол для параметризации плотно связывающей возбуждающей Гамильтониан для расчета оптических спектров поглощения и оптоэлектронных свойств молекулярных материалов из первого принципа квантовых химических расчетов.
Этот протокол облегчает строительство возбудителей гамильтонов для эффективного расчета как оптических спектров поглощения, так и более сложных оптоэлектронных свойств навалочных молекулярных материалов. Наша техника разбивает чрезвычайно вычислительно интенсивные квантово-химические расчеты на оптовых молекулярных материалах на гораздо более управляемые вычисления отдельных молекул, которые выполняются с использованием общего квантово-химического программного обеспечения. Наш метод может помочь вычислительно направлять дизайн оптоэлектронных устройств с использованием органических материалов, таких как фотоэлектрические элементы или оптические переключатели для волоконно-оптических коммуникаций.
Новые пользователи должны тщательно следовать описанной процедуре, включая предложенную конвенцию о файловом номе, и должны проверить, что каждый шаг был завершен без ошибок, прежде чем двигаться дальше. Для разделения мульти-молекулярной системы на отдельные молекулы используйте скрипт Python 2.7 getMonomers. py для генерации файлов, содержащих декартовые координаты атомов в отдельных молекулах, составляющих систему.
Укажите название файла, который содержит геометрию системы, и количество атомов в каждой отдельной молекуле, которая составляет систему, используя команду, как указано. Для генерации заряда тока состояния земли для атомов в отдельных молекулах, создать простой текстовый файл под названием chargeOptions. txt с вариантами для оценки функциональной теории плотности Гауссиана атомных точечных зарядов в наземном состоянии электрически нейтральной молекулы.
Для получения достаточно точного распределения заряда для переходов с характером передачи заряда используйте функциональный диапазон скорректированной плотности, достаточно большой набор основы, который включает по крайней мере функции деполяризации не водородных атомов, сверхтонкие интеграционные сетки и очень жесткий самосовершный критерий конвергенции поля. Включите ключевое слово Nosymm в файл ввода, чтобы гарантировать, что атомные координаты в файле вывода Gaussian написаны в ориентации ввода. Настройка гауссийских входных файлов для всех отдельных молекул, которые составляют систему, используя параметры в файле chargeOptions.
txt с использованием указанного сценария Bash. Затем запустите гауссийские расчеты, указывающие на то, что имя файла вывода будет таким же, как и входной. com имя файла, но с журналом расширения.
Используйте скрипт Python 2.7 getCHelpG. py для извлечения атомных точечных зарядов CHelpG из гауссийских выходных файлов с журналом расширения. Для расчета энергии возбуждения и плотности перехода отдельных молекул в материале в присутствии электростатической среды, найте простой текстовый файл под названием monomerOptions.
txt с параметром, установленным для расчета атомных точечных зарядов и с низким порогом для печати компонентов эйгенвектора идеально, по крайней мере, порядка одного раза от 10 до отрицательной пятерки. Настройка гауссийских входных файлов для расчета энергии возбуждения и плотности перехода всех отдельных молекул в материале в присутствии электростатической среды, представленной точечными зарядами на всех других молекулах в материале и название файла monomer_n_wCh. ком, где n является мономерным номером.
Затем запустите гауссийские расчеты, указывающие на то, что имя файла вывода будет таким же, как и входной. com имя файла, но с журналом расширения. Расчет также сохранит файл контрольной точки с тем же именем файла, но с расширением chk.
Для извлечения энергии возбуждения для ярких состояний отдельных молекул, которые составляют систему из гауссийских выходных файлов, скопировать энергии возбуждения для ярких возбужденных состояний отдельных мономеров из гауссийских выходных файлов с журналом расширения в простой текстовый файл под названием all_energies.txt. В файле all_energies. txt, храните только столбец, содержащий численные значения энергий возбуждения.
Чтобы вычислить возбудимые связи для всех пар молекул, в которые вобрается в молекулярную систему, сначала используйте утилиту проверки формы из указанного сценария Bash для преобразования файлов контрольной точки в читаемый человеком формат. Используйте переключатель скрипта Python 2.7Sign. py, который берет имя файла выходной Gaussian с журналом расширения и числом возбужденных состояний n, включенных в расчет в качестве входных параметров.
Используйте многофункциональный анализатор волновой работы Multiwfn для записи файла куба плотности перехода на основе гауссийского отформатированных файлов контрольно-пропускных чек с расширением fchk и обработанного файла выходной Gaussian с журналом расширения2. Для эффективного создания файлов настройки с вариантами обработки Multiwfn для всех файлов fchk в текущем каталоге используйте makeOpt. sh Bash сценарий.
Файлы будут иметь те же имена, что и файлы fchk с выбором расширения. Затем создайте файлы куба плотности перехода в одной партии с помощью указанного сценария Bash и преобразуйте файлы детеныша в файлы, в которых прямо указаны координаты центров всех кубов на сетке и значения плотности перехода внутри куба с помощью cubeFormat. скрипт py Python 2.7.
Вы запустите команду, как указано, чтобы использовать файлы fcub для расчета возбудимых разрывов между всеми парами молекул в системе с помощью метода куба плотности перехода. Как только расчеты будут завершены, создайте пустой файл под названием all_couplings. txt и использовать скрипт Bash, как указано, чтобы объединить все возбудимые соединения в один файл.
Чтобы настроить возбуждающей Гамильтона, используйте setUpHam. py Python 2.7 скрипт и указанная команда терминала, чтобы объединить возбужденные энергии состояния в all_energies. txt файл и возбудимые связи в all_couplings.
txt файл в один файл, который содержит полную возбудимую матрицу Гамильтона. Здесь показан оптический абсорбционный спектр агрегата из шести молекул YLD 124, полученных в результате перекрестного моделирования Монте-Карло, которое было использовано для расчета возбудимого Гамильтона молекул. В этой таблице, Hamiltonian для этой системы построен как продемонстрировано можно наблюдать.
Потому что есть шесть молекул только с одним ярким возбужденным состоянием для каждой молекулы, шесть на шесть возбудимых Гамильтониан был создан в результате чего шесть переходов. Экситонная модель и спектры TDDFT, рассчитанные с использованием функциональной плотности WB97X с набором G31G-основы, также имеют те же формы, что и коэффициент корреляции продукта Пирсона. Возбудимые гамильтоны, построенные с использованием нашего протокола, могут быть параметризированы любым квантово-химическим методом, позволяющим изучать, как приближения к конкретным методам влияют на точность вычислений по различным оптоэлектронных параметрам.
Мы использовали этот метод для моделирования оптических спектров поглощения и первых гиперполяризий молекулярных агрегатов с усилиями, предпринимаемыми для точной моделирования свойств навалочных молекулярных твердых веществ.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлен подробный протокол построения экситонных гамильтонианов для эффективного расчета спектров оптического поглощения и других оптоэлектронных свойств разупорядоченных молекулярных агрегатов и твердых тел. Метод основан на использовании квантово-химических расчетов для отдельных молекул и систематическом построении модельного гамильтониана, который учитывает экситонные взаимодействия и электростатические эффекты в сложных молекулярных системах.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Теоретическая и вычислительная химия
- Оптоэлектронные материалы
- Квантово-химическое моделирование
Теоретические основы
- Прогнозирование свойств неупорядоченных молекулярных материалов затруднено из-за значительного беспорядка и большого размера систем.
- Традиционные методы квантовой химии из первых принципов и зонная теория недостаточны для анализа крупных неупорядоченных систем.
- Многомасштабное моделирование представляет собой перспективный подход, сочетающий квантово-химические расчеты с модельными гамильтонианами.
- Экситонные гамильтонианы позволяют описывать возбужденные состояния с точки зрения локализованных экситонов Френкеля и их взаимодействий.
Цель исследования
- Предоставить практический протокол построения гамильтонианов экситонов в приближении сильной связи для молекулярных материалов.
- Обеспечить возможность эффективного расчета спектров оптического поглощения и других оптоэлектронных свойств.
- Содействовать компьютерному проектированию и оптимизации органических оптоэлектронных устройств.
Используемые методы
- Разложение объемных молекулярных систем на отдельные молекулы с помощью скриптов на языке Python.
- Квантово-химические расчеты (например, DFT, TDDFT) одиночных молекул с использованием программного обеспечения Gaussian для получения зарядов основного состояния и энергий возбуждения.
- Извлечение точечных атомных зарядов и плотностей переходов с использованием специализированных скриптов и анализатора Multiwfn.
- Расчет экситонных взаимодействий между парами молекул методом куба плотности перехода.
- Сборка матрицы экситонного гамильтониана на основе вычисленных энергий и взаимодействий с помощью скриптов на языке Python.
Основные результаты
- Данный протокол позволяет конструировать экситонные гамильтонианы для агрегатов, что продемонстрировано на примере системы из шести молекул YLD 124.
- Рассчитанные спектры оптического поглощения на основе экситонной модели тесно совпадают со спектрами TDDFT, о чем свидетельствуют высокие коэффициенты корреляции.
- Метод является гибким и может быть параметризован с использованием различных квантово-химических подходов.
- Области применения включают моделирование оптического поглощения и первых гиперполяризуемостей молекулярных агрегатов; в настоящее время ведется работа по применению метода к объемным твердым телам.
Выводы
- Данный протокол оптимизирует моделирование оптоэлектронных свойств в разупорядоченных молекулярных материалах.
- Он снижает вычислительные затраты за счет сосредоточения на расчетах для отдельных молекул и систематической сборке свойств агрегатов.
- Этот подход способствует рациональному проектированию органических оптоэлектронных устройств, обеспечивая точное прогнозирование их свойств.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Прогностическое моделирование оптоэлектронных свойств в разупорядоченных молекулярных агрегатах имеет решающее значение для развития НИОКР в области органических устройств. Данный протокол обеспечивает эффективное построение экситонных гамильтонианов, что способствует рациональному дизайну материалов и снижению вычислительных затрат на этапах поиска и оптимизации. Этот подход повышает достоверность прогнозов оптического поглощения и связанных с ним свойств, что напрямую влияет на принятие решений по формированию портфеля на ранних стадиях разработки оптоэлектронных материалов.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Позволяет проводить проверку гипотез относительно экситонных взаимодействий в сложных молекулярных системах.
- Способствует снижению механистических рисков за счет выяснения роли разупорядоченности и связи в свойствах материалов.
- Обеспечивает прогностическую оценку материалов-кандидатов для использования в оптоэлектронных устройствах.
Скрининг и разработка анализа
- Подготовка валидированных вычислительных моделей для последующего скрининга свойств материалов.
- Стандартизация расчета спектров оптического поглощения для обеспечения воспроизводимого сравнения различных кандидатов.
- Обеспечение масштабируемой оценки молекулярных агрегатов с помощью модульных рабочих процессов на основе скриптов.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставление результатов компьютерного моделирования с экспериментальными спектрами для обеспечения непрерывности переноса данных.
- Поддержка обоснованного с учетом рисков внедрения материалов с благоприятными оптоэлектронными характеристиками.
- Создание основы для моделирования объемных свойств по мере развития протоколов.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный протокол интегрирован в процесс от поиска до оптимизации оптоэлектронных материалов, связывая квантово-химические расчеты с прогнозированием свойств на уровне агрегатов.
- Фундаментальная биология: Обеспечивает надежную проверку гипотез об экситонных эффектах и разупорядоченности в перспективных материалах.
- Скрининг: Предоставляет воспроизводимые количественные данные об оптическом поглощении для сортировки материалов.
- Аналитика: Обеспечивает получение детальных матриц Гамильтониана и спектральных данных для сравнения различных условий.
- Трансляционные исследования: Способствует согласованию расчетных и экспериментальных спектров для доклинической валидации.
- Корпоративное использование: Предлагает модульный рабочий процесс на основе скриптов, адаптируемый к различным молекулярным системам и методам квантовой химии.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозов и снижает механистическую неопределенность при выборе оптоэлектронных материалов.
- Операционная ценность: Оптимизирует вычислительные рабочие процессы, обеспечивая воспроизводимость и масштабируемость проектов.
- Стратегическая ценность: Обеспечивает обоснованность принятия решений о продолжении или прекращении разработки, а также способствует капиталоэффективному развитию портфеля.
- Влияние на портфель: Улучшает приоритизацию материалов-кандидатов для дальнейшей разработки с учетом оценки рисков.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области квантово-химического моделирования и опыт работы с Gaussian, Multiwfn и скриптами на Python.
- Необходим доступ к вычислительной инфраструктуре для проведения квантово-химического анализа и анализа волновых функций.
- Для обеспечения воспроизводимости результатов требуется стандартизированное управление файлами и соблюдение протоколов взаимодействия между группами.
- Методика применима к различным квантово-химическим методам и молекулярным системам, поддерживаемым данным протоколом.
- Точность результатов зависит от качества исходной геометрии, распределения зарядов и выбранных вычислительных параметров.
Часто задаваемые вопросы по биофармацевтике
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:57
Multi-Molecular System Splitting and Generating Ground State Point Charges
2:44
Excitation Energy and Transition Density Calculation
3:52
Excitation Energy Extraction, Excitonic Coupling Calculation, and Excitonic Hamiltonian Setup
6:28
Results: Representative Structure and Calculated Spectrum for an Aggregate of Six YLD 124 Molecules
7:20
Conclusion
