Квантовая кристаллография
Квантовая кристаллография — это раздел кристаллографии , который исследует кристаллические материалы в рамках квантовой механики с анализом и представлением положений или в пространстве импульсов таких величин, как волновая функция , заряд электрона и спиновая плотность , матрицы плотности и все связанные с ними свойства. (например, электрический потенциал, электрические или магнитные моменты, плотности энергии, функция локализации электрона, одноэлектронный потенциал и т. д.). Как и квантовая химия , квантовая кристаллография включает в себя как экспериментальную, так и вычислительную работу. Теоретическая часть квантовой кристаллографии основана на квантово-механических расчетах атомных/молекулярных/кристаллических волновых функций, матриц плотности или моделей плотности, используемых для моделирования электронной структуры кристаллического материала. В то время как в квантовой химии экспериментальные работы в основном опираются на спектроскопию, в квантовой кристаллографии центральную роль играют методы рассеяния ( рентгеновские лучи , нейтроны , γ-лучи , электроны ), хотя спектроскопия, а также атомная микроскопия также являются источниками информации.
Связь между кристаллографией и квантовой химией всегда была очень тесной. [1] после того, как в кристаллографии стали доступны методы рентгеновской дифракции. Фактически рассеяние излучения позволяет составить карту одноэлектронного распределения [2] [3] [4] или элементы матрицы плотности. [5] Вид излучения и рассеяния определяет отображаемую величину (заряд или спин электрона) и пространство, в котором она представлена (пространство положения или импульса). Хотя обычно предполагается, что волновая функция не поддается прямому измерению, последние достижения позволяют также вычислять волновые функции, которые ограничены некоторой экспериментально измеримой наблюдаемой (например, рассеянием излучения). [6] [7]
Термин «квантовая кристаллография» был впервые введен в обзорных статьях Л. Хуанга, Л. Массы и лауреата Нобелевской премии Джерома Карла , [8] [9] который связал это с двумя основными направлениями: а) кристаллографическая информация, которая расширяет возможности квантово-механических расчетов, и б) квантово-механические подходы к улучшению кристаллографической информации. Это определение в основном относится к исследованиям, начатым в 1960-х и 1970-х годах, когда появились первые попытки получить волновые функции из экспериментов по рассеянию: [10] вместе с другими методами ограничить волновую функцию экспериментальными наблюдениями, такими как дипольный момент. [11] [12] Эта область была недавно рассмотрена в контексте данного определения. [13] [14] [15] [16] [17]
Параллельно с исследованиями по определению волновой функции Р.Ф. Стюарт [18] и П. Коппенс [19] [20] исследовал возможности расчета моделей одноэлектронной плотности заряда на основе рассеяния рентгеновских лучей (например, с помощью мультиполярного расширения псевдоатомов ), а затем и спиновой плотности на основе дифракции поляризованных нейтронов , [21] это положило начало научному сообществу по плотности заряда, спина и импульса. [22] В недавней обзорной статье В. Цирельсон [23] дал более общее определение: «Квантовая кристаллография - это область исследований, использующая тот факт, что параметры квантово-механически обоснованной электронной модели кристалла могут быть получены из точно измеренного набора структурных факторов когерентной дифракции рентгеновских лучей».
Книга «Современный анализ плотности заряда» предлагает обзор исследований, связанных с квантовой кристаллографией, а также наиболее распространенных экспериментальных или теоретических методологий. [24]
Международный союз кристаллографии недавно учредил комиссию по квантовой кристаллографии в качестве расширения предыдущей комиссии по плотности заряда, спина и импульса с целью координации исследовательской деятельности в этой области. [25]
Внешние ссылки
[ редактировать ]Школа кристаллографии Эриче (52-й курс): первый курс по квантовой кристаллографии (июнь 2018 г.)
XIX Сагаморская конференция (июль 2018 г.)
Заседание CECAM по квантовой кристаллографии (июнь 2017 г.)
Комиссия МСКР по квантовой кристаллографии
Международный союз кристаллографии
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Макки, Пьеро (2020). «Союз кристаллографии и квантовой механики». Кристаллографические обзоры . 26 (4): 209–268. Бибкод : 2020CryRv..26..209M . дои : 10.1080/0889311X.2020.1853712 . S2CID 229935993 .
- ^ Коппенс, Филип (1997). Рентгеновские плотности заряда и химическая связь . Международный союз кристаллографии. ISBN 9780195356946 .
- ^ Макки, Пьеро; Жилле, Жан-Мишель; Таулель, Фрэнсис; Кампо, Хавьер; Клайзер, Николас; Лекомт, Клод (1 июля 2015 г.). «Моделирование экспериментальной электронной плотности: только синергия различных подходов может решить новые задачи» . МСКРЖ . 2 (4): 441–451. Бибкод : 2015IUCrJ...2..441M . дои : 10.1107/S2052252515007538 . ПМЦ 4491316 . ПМИД 26175903 .
- ^ Цирельсон, В.Г.; Озеров, Р.П. (1996). Электронная плотность и связь в кристаллах: Принципы, теория и рентгеновские дифракционные эксперименты в физике и химии твердого тела . ЦРК Пресс. ISBN 978-0750302845 .
- ^ Жилле, Жан-Мишель (1 мая 2007 г.). «Определение одноэлектронной приведенной матрицы плотности с использованием модели связанного псевдоатома и набора дополнительных данных рассеяния». Acta Crystallographica Раздел А. 63 (3): 234–238. Бибкод : 2007AcCrA..63..234G . дои : 10.1107/S0108767307001663 . ПМИД 17435287 .
- ^ Джаятилака, Дилан; Гримвуд, Дэниел Дж. (1 января 2001 г.). «Волновые функции, полученные в результате эксперимента. I. Мотивация и теория». Acta Crystallographica Раздел А. 57 (1): 76–86. дои : 10.1107/S0108767300013155 . ПМИД 11124506 .
- ^ Вейрих, Вольф (1996). «Одноэлектронные матрицы плотности и связанные с ними наблюдаемые». Квантово-механический ab-initio расчет свойств кристаллических материалов . Конспект лекций по химии. Том. 67. Шпрингер Берлин Гейдельберг. стр. 245–272. дои : 10.1007/978-3-642-61478-1_14 . ISBN 9783540616450 .
- ^ Масса, Л.; Хуанг, Л.; Карл, Дж. (25 февраля 1995 г.). «Квантовая кристаллография и использование матриц проектора ядра». Международный журнал квантовой химии . 56 (С29): 371–384. дои : 10.1002/qua.560560841 .
- ^ Хуанг, Л.; Масса, Л.; Карл, Дж. (1999). «Квантовая кристаллография в применении к кристаллическому малеиновому ангидриду». Международный журнал квантовой химии . 73 (5): 439–450. doi : 10.1002/(SICI)1097-461X(1999)73:5<439::AID-QUA7>3.0.CO;2-5 .
- ^ Клинтон, Уильям Л.; Галли, Энтони Дж.; Масса, Луи Дж. (5 января 1969 г.). «Прямое определение матриц плотности в чистом состоянии. II. Построение ограниченных идемпотентных однотельных плотностей». Физический обзор . 177 (1): 7–13. Бибкод : 1969PhRv..177....7C . дои : 10.1103/PhysRev.177.7 .
- ^ Мухерджи, А.; Карплюс, М. (январь 1963 г.). «Ограниченные молекулярные волновые функции: HF-молекула» . Журнал химической физики . 38 (1): 44–48. Бибкод : 1963ЖЧФ..38...44М . дои : 10.1063/1.1733493 .
- ^ Расиэль, Йекескель; Уитмен, Дональд Р. (15 марта 1965 г.). «Метод ограниченных вариаций в молекулярной квантовой механике. Применение к гидриду лития». Журнал химической физики . 42 (6): 2124–2131. Бибкод : 1965ЖЧФ..42.2124Р . дои : 10.1063/1.1696255 .
- ^ Грабовский, Саймон; Дженони, Алессандро; Бюрги, Ханс-Бит (2017). «Квантовая кристаллография» . Химическая наука . 8 (6): 4159–4176. дои : 10.1039/C6SC05504D . ПМК 5576428 . ПМИД 28878872 .
- ^ Масса, Лу; Матта, Шериф Ф. (14 ноября 2017 г.). «Квантовая кристаллография: перспектива» . Журнал вычислительной химии . 39 (17): 1021–1028. дои : 10.1002/jcc.25102 . ПМИД 29135029 .
- ^ Матта, Шериф Ф. (2010). Квантовая биохимия . Джон Уайли и сыновья. ISBN 9783527629220 .
- ^ Матта, Шериф Ф. (15 мая 2017 г.). «Приглашенная редакционная статья: Путь через квантовую кристаллографию: короткая дань уважения профессору Лу Массе». Структурная химия . 28 (5): 1279–1283. дои : 10.1007/s11224-017-0961-8 . S2CID 125516603 .
- ^ Масса, Лу (2011). Наука и письменное слово: наука, технология и общество . Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780199831777 .
- ^ Стюарт, Роберт Ф. (15 ноября 1969 г.). «Обобщенные коэффициенты рассеяния рентгеновских лучей». Журнал химической физики . 51 (10): 4569–4577. Бибкод : 1969ЖЧФ..51.4569С . дои : 10.1063/1.1671828 .
- ^ Коппенс, Филип; Поллер, Д.; Гриффин, Дж. Ф. (март 1971 г.). «Электронно-заселенный анализ точных дифракционных данных. II. Применение одноцентрового формализма к некоторым органическим и неорганическим молекулам». Журнал Американского химического общества . 93 (5): 1051–1058. дои : 10.1021/ja00734a001 .
- ^ Хансен, Северная Каролина; Коппенс, П. (1 ноября 1978 г.). «Тестирование уточнения асферических атомов на наборах данных о малых молекулах». Acta Crystallographica Раздел А. 34 (6): 909–921. Бибкод : 1978AcCrA..34..909H . дои : 10.1107/S0567739478001886 .
- ^ Дойч, Максим; Гиллон, Беатрис; Клайзер, Николас; Жилле, Жан-Мишель; Лекомт, Клод; Суасу, Мохамед (14 апреля 2014 г.). «Первые распределения электронов с разрешением по спину в кристаллах, полученные в результате комбинированных экспериментов по дифракции поляризованных нейтронов и рентгеновских лучей» . МСКРЖ . 1 (3): 194–199. Бибкод : 2014IUCrJ...1..194D . дои : 10.1107/S2052252514007283 . ПМК 4086435 . ПМИД 25075338 .
- ^ Франкенбергер, К. (1 октября 1990 г.). «Отчет исполкома за 1989 год» . Acta Crystallographica Раздел А. 46 (10): 871–896. Бибкод : 1990AcCrA..46..871. . дои : 10.1107/s0108767390006109 . ISSN 0108-7673 . ПМК 234214 . ПМИД 16016227 .
- ^ Цирельсон, Владимир (9 августа 2017 г.). «Ранние дни квантовой кристаллографии: личный отчет». Журнал вычислительной химии . 39 (17): 1029–1037. дои : 10.1002/jcc.24893 . ПМИД 28791717 . S2CID 13675932 .
- ^ Гатти, Карло; Макки, Пьеро (2012). Современный анализ плотности заряда . Springer Science & Business Media. ISBN 9789048138364 .
- ^ "МСКр " www.iucr.org