Optimización del paquete computacional para el cálculo de estructura núcleo-electrónica: APMO

Optimization of software package for studies of quantum nuclear effects: APMO

En este trabajo se presenta una versión rediseñada y optimizada del programa APMO (Any Particle Molecular Orbital).APMO es una implementación computacional del método del orbital molecular nuclear y electrónico (OMNE) en niveles de teoría Hartree-Fock (HF) y de perturbaciones de muchos cuerpos de segundo orden (MP2). En el método OMNE, tanto los núcleos atómicos como electrones se representan como funciones de onda. Este método permite un estudio directo de fenómenos en los que se presentan efectos cuánticos nucleares: efectos isotópicos, deslocalización nuclear, transferencia de protones, entre otros. La optimización realizada logró una marcada disminución en los tiempos de un cálculo global y permitió el uso de funciones de bases electrónicas y nucleares con altos momentos angulares. Como ejemplo delas nuevas posibilidades del programa se presenta un estudio del efecto isotópico en complejos monohidratados y dihidratado de cobre (I) y cinc (II). En estos sistemas se encontró que la sustitución de protio por deuterio debilita el enlace oxígeno-metal.

INTRODUCCIÓN

La aproximación de Born-Oppenheimer (ABO) es una de las más importantes en la química cuántica. El empleo de esta aproximación ha posibilitado el estudio cuántico de sistemas con miles de átomos (1). A pesar del éxito de los métodos basados en la ABO, existen muchos ejemplos en los que el uso de esta aproximación no permite hacer una descripción directa y, en algunos casos, correcta de sistemas en los que los núcleos atómicos evidencian comportamientos cuánticos . Estos comportamientos son comúnmente conocidos como efectos cuánticos nucleares (ECN); entre ellos están las vibraciones y el tunelamiento nuclear, los efectos de isótopo, entre otros (2-4).

Los ECN pueden estudiarse teóricamente utilizando metodologías basadas en la ABO o metodologías que van más allá de esta aproximación. En las metodologías ABO se realizan cálculos de estructura electrónica, que se corrigen posteriormente incorporando los efectos de las masas y las velocidades nucleares. Entre las correcciones más comunes se encuentran la de Bell para el tunelamiento (5), la armónica para la energía de punto cero y la de masa para los efectos de isótopo. Entre los métodos más conocidos que van más allá de la ABO están los de orbitales núcleo-electrónicos (ONE) (2-4). En estos métodos, los núcleos que presentan comportamiento cuántico se tratan en el mismo nivel que los electrones en términos de orbitales moleculares expresados como combinaciones lineales de funciones gaussianas. Ya que las implementaciones computacionales de los métodos ONE presentan limitaciones relacionadas con el número de especies cuánticas no electrónicas soportadas (método NEO) (6) o la disponibilidad del software –métodos MCMO (7,8) y NOMO (9)–, anteriormente desarrollamos el programa computacional Any Particle Molecular Orbital (APMO) (10-12). Este ha servido como herramienta para estudiar ECN en el nivel de teoría Hartree-Fock (HF) y MP2 en sistemas que contienen mezclas de partículas cuánticas (10-16).