Theoretische Chemie 2012

Subsystem- und Einbettungsmethoden

Sollen ausgedehnte molekulare Systeme wie Biomoleküle, Molekülaggregate oder Adsorbate quantenchemisch untersucht werden, macht der hohe Rechenzeitaufwand in der Regel Näherungen erforderlich. Dazu gehören Einbettungsmethoden und fragmentbasierte Verfahren mit effektiven, häufig parametrisierten Wechselwirkungen. In der Vergangenheit wurden dafür viele unterschiedliche Methoden vorgeschlagen, unter anderem quantenmechanisch-molekülmechanische Hybridverfahren (QM/MM).

Eine besondere Rolle spielt hier die Dichtefunktionaltheorie (DFT), die es erlaubt, eine formal exakte Referenz für Einbettungsverfahren zu definieren. In den 1980er und 1990er Jahren wurden selbstkonsistente Subsystem-DFT-Methoden entwickelt, mit der Idee, die Elektronendichte in Fragmentbeiträge aufzuteilen. Je ein effektives System nicht-wechselwirkender Teilchen repräsentiert dann die jeweiligen Fragmente.^1_1,^1_2 Statt einer Kohn-Sham-DFT-Rechnung für das gesamte System, wie in der am weitesten verbreiteten Variante der DFT üblich, werden dabei Kohn-Sham-artige Gleichungen für jedes Subsystem einzeln gelöst. Wegen des nichtlinearen Skalier

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