서울대학교_물리분석실험_Quantum Calculation(2024)

문서 내 토픽

1. Quantum Calculation

실제 계에서는 다양한 원자 혹은 분자가 끊임없이 상호작용하고 있기 때문에 정확한 계산을 하기 어렵다. 컴퓨터를 이용하여 근사적인 계산 방법을 이용하는데 이번 실험에서는 TD-DFT(time dependent density functional theory)를 이용한다. ORCA software와 AVOGADRO를 이용했으며 basis set으로 hybrid functional의 일종인 B3LYP를 입력하여 hexane 용매 속 5,6-dihydrodibenzo[c,g][1,2]diazocine과 azobenzene의 형태에 따른 에너지를 계산하고 UV-VIS absorption spectrum을 비교해보았다.
2. 5,6-dihydrodibenzo[c,g][1,2]diazocine

계산 결과 5,6-dihydrodibenzo[c,g][1,2]diazocine[Z]의 에너지가 [E]보다 약 41.563 kcal/mol 낮아 안정한 것으로 나타났다. Gibbs free energy의 경우 E와 Z의 차이가 14.967kcal/mol로 계산됐다. 이는 N원자의 p orbital에 있는 unpaired electrons의 근처 σ orbital과의 hyperconjugation으로 인한 delocalization의 효과로 에너지 안정화가 있기 때문이다.
3. Azobenzene

Azobenzene의 경우 trans 형태의 에너지가 cis 형태보다 7.281kcal/mol 낮아 더 안정한 것으로 나타났다. Gibbs free energy의 경우 trans와 cis의 차이가 7.742kcal/mol로 계산됐다. 이는 두 벤젠고리에 퍼져있는 전자 오비탈들이 서로 가까워질수록 반발력으로 인해 에너지가 높아지기 때문이다.
4. UV-VIS absorption spectrum

Ground state에 있는 전자들이 빛을 흡수하면서 upper state로 excitation되는 빛의 파장을 계산하였다. diazocine[E]는 506.1nm, diazocine[Z]는 413.8nm로 계산됐는데, [Z]가 더 짧은, 즉 높은 에너지의 빛을 흡수해야 excitation될 수 있다는 것을 의미하므로 두 conformation의 에너지 차이를 확인할 수 있었다. Azobenzene(trans)는 471.4nm, (cis)는 450.5nm로 계산됐다.
5. 계산 방법의 한계

ORCA에서 직접 계산한 값과 LUMO-HOMO 값 사이에 차이가 발생했는데, 이는 ORCA 계산해서 이용한 TD-DFT 바탕의 방법이 어디까지나 근사 방법이며 basis set을 이용했기 때문에 필연적으로 발생하는 오차라고 생각할 수 있겠다.

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1. Quantum Calculation

Quantum calculation is a powerful tool for understanding the behavior of matter and energy at the atomic and subatomic level. It involves the application of quantum mechanics, a fundamental theory in physics that describes the behavior of particles and waves on the quantum scale. Quantum calculations can be used to predict the properties of materials, chemical reactions, and even biological processes. However, the complexity of quantum systems and the limitations of current computational resources can make these calculations challenging and time-consuming. Advances in quantum computing and the development of more efficient algorithms may help to overcome these limitations in the future, allowing for more accurate and efficient quantum calculations.
2. 5,6-dihydrodibenzo[c,g][1,2]diazocine

5,6-dihydrodibenzo[c,g][1,2]diazocine is a heterocyclic organic compound that has been studied for its potential applications in various fields, such as photochemistry and molecular electronics. This compound is known for its ability to undergo reversible photoisomerization, where it can switch between two different structural configurations in response to light. This property makes it a promising candidate for use in light-driven devices and systems. However, the complex structure and behavior of this compound can make it challenging to study and understand using traditional experimental and computational methods. Quantum calculations may be useful in providing a deeper understanding of the electronic structure and reactivity of 5,6-dihydrodibenzo[c,g][1,2]diazocine, which could lead to the development of new applications and technologies.
3. Azobenzene

Azobenzene is a well-known organic compound that has been extensively studied for its photochromic properties, which allow it to undergo reversible structural changes in response to light. This property has made azobenzene a valuable tool in various fields, such as photochemistry, materials science, and biology. Quantum calculations can be particularly useful in understanding the electronic structure and photochemical behavior of azobenzene, as well as in designing new azobenzene-based materials and devices. However, the complexity of the azobenzene molecule and the various factors that can influence its behavior, such as solvent effects and substituent effects, can make these calculations challenging. Continued research and advancements in computational methods may help to overcome these challenges and lead to a deeper understanding of azobenzene and its applications.
4. UV-VIS absorption spectrum

The UV-VIS (ultraviolet-visible) absorption spectrum is a fundamental tool in analytical chemistry and materials science, providing valuable information about the electronic structure and optical properties of molecules and materials. Quantum calculations can be a powerful complement to experimental UV-VIS spectroscopy, as they can provide insights into the underlying electronic transitions and the factors that influence the absorption spectrum. However, accurately modeling the UV-VIS absorption spectrum of complex molecules or materials can be computationally demanding, requiring the use of advanced quantum mechanical methods and careful consideration of factors such as solvent effects, vibrational effects, and the influence of substituents or functional groups. Continued advancements in computational power and the development of more efficient and accurate quantum calculation methods may help to overcome these challenges and further expand the applications of UV-VIS absorption spectroscopy.
5. 계산 방법의 한계

계산 방법의 한계는 양자 계산을 수행할 때 항상 고려해야 할 중요한 요소입니다. 양자 계산은 복잡한 물리적 현상을 모델링하고 예측하는 데 매우 유용하지만, 계산 자원의 제한, 근사화된 이론 및 알고리즘, 실험 데이터와의 불일치 등 다양한 한계가 존재합니다. 이러한 한계로 인해 양자 계산 결과의 정확성과 신뢰성이 제한될 수 있습니다. 따라서 계산 방법의 한계를 이해하고 이를 극복하기 위한 지속적인 연구와 개선이 필요합니다. 예를 들어 더 강력한 컴퓨팅 자원, 향상된 이론 및 알고리즘, 실험 데이터와의 상호 보완 등을 통해 양자 계산의 정확성과 실용성을 높일 수 있습니다. 이러한 노력을 통해 양자 계산은 물리, 화학, 재료 과학 등 다양한 분야에서 더욱 유용한 도구로 활용될 수 있을 것입니다.