Lehre

Die zweidimensionale Infrarotspektroskopie (2D-IR) ist eine moderne experimentelle Technik, mit deren Hilfe anharmonische Kopplungen von lokalen Schwingungen gemessen werden können. Diese wird insbesondere eingesetzt, um die Struktur und Dynamik von Biomolekülen aufzuklären. Bisher existieren keine effizienten Ansätze, um 2D-IR-Spektren von Biomolekülen quantenchemisch zu berechnen. Im Rahmen einer Bachelor- oder Masterarbeit soll ein kürzlich in unserer Arbeitsgruppe entwickelte Methode zur Berechnung von anharmonischen Schwingungsspektren [ChemPhysChem 15, 3365 (2014)] auf 2D-IR-Spektroskopie erweitert werden. Dies beinhaltet sowohl die Erweiterung unseres Python-Codes “Vibrations” sowie dessen Anwendung für ausgewählte Testsysteme.

Mit Röntgenstrahlung lassen sich Rumpfelektronen (z.B. aus einem 1s-Orbital) in unbesetzte Orbitale anregen. Mit Röntgenspektroskopie lassen sich unter anderem katalytische Reaktionsmechanismen (z.B. der selektiven katalytischen Reduktion von NO in Abgasen) aufklären. Im Rahmen einer Bachelor- oder Masterarbeit soll der Einfluss von Lösungsmittel- und Proteinumgebungen auf Röntgenspektren untersucht werden. Für die Berechnungen wird eine Kombination aus Molekulardynamik-Simulationen, quantenchemischen Einbettungsmethoden und Methoden der theoretischen Röntgenspektrosopie zum Einsatz kommen. In diesem Projekt steht die Anwendung verschiedenster theoretischer Methoden und Programmpakete im Mittelpunkt.

Plamonische Anregungen erlauben es Licht auf der Nanoskala zu manipulieren. Im Rahmen einer Bachelor- oder Masterarbeit soll mit Hilfe quantenchemischer Rechnungen untersucht werden, wie sich molekularen Materialen entwerfen lassen, die plasmonische Anregungen aufweisen und wie sich die Eigenschaften solcher Materialen gezielt beeinflussen lassen. Dies beinhaltet Berechnungen der Anregungsspektren der molekularen Bausteine solcher Materialen, die Identifizierung der Plasmonen mit Hilfe geeigneter Analysemethoden [J. Phys. Chem. C 117, 1863-1878 (2013)]. Des weiteren soll die Einbettung der molekularen Bausteine in Materialen sowie deren Einfluss auf die plasmonischen Anregungen mit Hilfe von Subsystem-Methoden untersucht werden. Diese Thema bietet eine ersten Einblick in das spannende Gebiet der (theoretischen) “Quanten-Plasmonik”.

Im Rahmen einer Bachelor- oder Masterarbeit sollen die in unserer Arbeitsgruppe entwickelten Einbettungs- und Subsystemmethoden auf die Beschreibung von Molekülen auf Oberflächen erweitert werden. Hierfür sollen neue Methoden zur Konstruktion der Einbettungspotentiale periodischer Umgebungen in die Skripting-Umgebung PyADF implementiert werden. Diese Methoden sollen dann zum Beispiel in der theoretischen Röntgenspektroskopie abgewendet werden. Dieses Projekt erlaubt es, Erfahrungen in der quantenchemischen Softwareentwicklung zu sammeln.

Übergangsmetallkomplexe mit ungepaarten Elektronen sind eine der größten Herausforderungen für die theoretische Chemie. Zur Zeit gibt es keine Methoden, die für solche Komplexe bei vertretbarem Rechenaufwand zuverlässige Vorhersagen machen können. Um die Dichtefunktionaltheorie (DFT) in die Lage zu versetzen, offenschalige Systeme zuverlässig zu beschreiben, soll im Rahmen einer Bachelor- oder Masterarbeit die exakte Abhängigkeit des Austausch-Korrelations-Funktionals für offenschalige Systeme für Modellsysteme untersucht werden. Hierfür sollen für einfache Systeme genaue Referenzrechnungen mit Wellenfunktionsmethoden (CI, CASSCF) durchgeführt und mit Hilfe von Rekonstruktionsmethoden untersucht werden. Dieses Thema bietet die Möglichkeit, die Grundlagen der DFT näher kennenzulernen und erste Erfahrungen in der quantenchemischen Methodenentwicklung zu sammeln.

Im Rahmen einer Studienarbeit oder eines Forschungspraktikums sollen Schwingungsspektren von Aminosäuren in Lösung berechnet werden. Hierbei werden sowohl Infrarot- und Raman-Spektren als auch Raman optische Aktivität betrachtet. Für die Berechnungen wird eine Kombination aus Molekulardynamik-Simulationen, quantenchemischen Einbettungsmethoden und Methoden der theoretischen Schwingungsspektroskopie zum Einsatz kommen. Dieses Projekt erlaubt es, zahlreiche theoretische Methoden und Programmpakete kennenzulernen, die in unserer Arbeitsgruppe zum Einsatz kommen.

In mehrkernigen Übergangsmetallkomplexen können die Spins an verschiedenen Metallzentren unterschiedlich stark gekoppelt sein. Diese Spin-Kopplungen bestimmen die magnetischen Eigenschaften solcher Komplexe. Die Vorhersage von Spin-Kopplungen mit Hilfe von Subsystem-Methoden soll im Rahmen einer Studienarbeit oder eines Forschungspraktikums getestet werden. Als Beispiel sollen hier Kupferkomplexe betrachtet werden. Für dieses Projekt ist Interesse an anorganischer Chemie und der Chemie von Übergangsmetallkomplexen wünschenswert.

Im Rahmen einer Studienarbeit oder eines Forschungspraktikums sollen die angeregten Zustände von Farbstoffen für die hochauflösende Mikroskopie, die in der Arbeitsgruppe Tinnefeld entwickelt werden, berechnet werden. Für die Berechnungen sollen verschiedene quantenchemische Methoden (TDDFT, CC, CASSCF) eingesetzt und verglichen werden. Lösungsmitteleffekte können in einem zweiten Teil des Projektes mit Hilfe von Einbettungsmethoden ebenfalls berücksichtigt werden. Dieses Projekt erlaubt es, zahlreiche theoretische Methoden und Programmpakete kennenzulernen, die in unserer Arbeitsgruppe zum Einsatz kommen.

Die Skripting-Umgebung PyADF, die in unserer Arbeitsgruppe entwickelt wird, ermöglicht es komplexe Berechnungen mit quantenchemischen Einbettungsmethoden durchzuführen, die viele einzelne Berechnungsschritte erfordern. Im Rahmen einer Studienarbeit oder eines Forschungspraktikums sollen neue Methoden für die Berechnung von molekularen Materialien, die unter anderem in der organischen Photovoltaik von Bedeutung sind, in PyADF implementiert werden. Ein Interesse an Softwareentwicklung ist für dieses Projekt erforderlich, Programmierkenntnisse können im Laufe der Arbeit erworben werden.