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Quantenchemie komplexer molekularer Systeme

Komplexe molekulare Systeme spielen eine wichtige Rolle in vielen Bereichen der Physik und Chemie. Sie erfüllen eine Vielzahl an Aufgaben in einer Reihe von verschiedenen Anwendungen,  zum Beispiel in der homogenen anorganischen und bioanorganischen Katalyse und in modernen Materialien. Das Verständnis ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften ist der erste Schritt auf dem Weg zu neuen und verbesserten Katalysatoren und Materialien.
Der Fokus unserer Arbeitsgruppe liegt auf der Entwicklung und Anwendung neuartiger quantenchemischer Methoden zur Untersuchung der Eigenschaften komplexer molekularer Systeme.

Unsere Methoden basieren hauptsächlich auf der sogenannten “Density Matrix Renormalization Group” (DMRG) Theorie, die im letzten Jahrzehnt Einzug in die Quantenchemie gehalten hat. Sie ermöglicht die Durchführung von genauen “first principles” Rechnungen für grosse Moleküle, die mit regulären quantenchemischen Methoden nicht möglich wären. Das Hauptaugenmerk unserer angewandten Arbeiten liegt auf den einzigartigen elektronischen Eigenschaften von polynuklearen Übergangsmetallclustern sowie auf der Berechnung von angeregten Zuständen von großen organischen Molekülen.

Unsere Arbeitsgruppe ist dem Max-Planck Institut für Kohlenforschung angegliedert und ist ansässig an der Ruhr-Universität Bochum. Sie wird von der Max-Planck Gesellschaft im Rahmen des “Otto-Hahn Award“ Programms finanziert.

Wir suchen zur Zeit studentische Mitarbeiter und Doktoranden! Bitte kontaktieren Sie uns bei Interesse via mroemelt@theochem.ruhr-uni-bochum.de

Michael Roemelt

Dr. Michael Roemelt

seit 2015
Leiter einer Otto-Hahn-Nachwuchsforschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung und am Lehrstuhl für Theoretische Chemie, Ruhr-Universität Bochum
2014
Research Associate am Lehrstuhl für Theoretische Chemie, Ruhr-Universität Bochum, bei Prof. Dr. Dominik Marx
2013-2014
Postdoktorand an der Princeton University, New Jersey, USA, bei Prof. Dr. Garnet Chan
2011-2013
Doktorand am Max-Planck-Institut für Chemische Energie-Konversion, Mülheim an der Ruhr
2009-2011
Doktorand an der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, bei Prof. Dr. Frank Neese. Doktorabeit: "Theoretical Core Electron Spectroscopy of Transition Metal Ions in Coordination Compounds and Metallproteins"
2007
Gastwissenschaftler an der Stanford University, California, USA, sowie am Stanford Linear Accelerator Center, California, USA, bei Prof. E.I. Solomon und Prof. Dr. Serena DeBeer
2003-2008
Studium der Chemie an der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
2013
Otto-Hahn-Medaille und Otto-Hahn-Preis der Max-Planck-Gesellschaft
2013
Ernst Haage Preis für Doktoranden
2013-2014
Postdoctoral Fellowship des Deutschen Akademischen Austauschdienstes (DAAD)
2005
Auszeichnung der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) für herausragende Leistungen während des Vordiploms
 

Forschungsthemen

Theorie-Entwicklung
Theorie-Entwicklung

Theorie-Entwicklung

Die Theorie-Entwicklung in unserer Arbeitsgruppe fokussiert sich auf die “Density Matrix Renormalization Group” (DMRG), die in den frühen 2000er Jahren in die Quantenchemie eingeführt wurde. Unsere Arbeiten umfassen dabei a) die Berechnung von dynamischer Elektronenkonfiguration in molekularen DMRG Rechnungen und b) molekulare DMRG Rechnungen, die über die Born-Oppenheimer Approximation hinausgehen.
a) Reguläre DMRG Rechnungen können als eine Näherung zur “complete active space configuration interaction” (CAS-CI) oder der “complete active space self-consistent field” (CAS-SCF) Methode betrachtet werden. Diese Rechnungen erfassen statische Korrelationseffekte vollstaendig aber vernachlässigen die dynamische Elektronenkorrelation. Die Beschreibung der fehlenden dynamischen Elektronenkorrelation mit Hilfe der Störungstheorie ist ein aktueller Forschungsbereich unserer Arbeitsgruppe. Bei den Arbeiten auf diesem Gebiet kooperieren wir mit der Arbeitsgruppe von Prof. Garnet Chan an der Princeton University.
b) Wenn sich die adiabatischen Potentialkurven zweier elektronischer Zustände eines Systems während einer chemischen Reaktion oder eines Relaxationsprozesses schneiden, so kann das System seinen Quantenzustand ändern. Als eine Folge dieses Übergangs können sich die Eigenschaften des Systems dramatisch verändern. Die Dynamik dieses Prozesses wird durch die Stärke von nicht-adiabatischen und Spin-Bahn Kopplungen gesteuert. Unsere Arbeitsgruppe entwickelt Methoden zur Berechnung von nichtadiabatischen und Spin-Bahn Kopllungen im Rahmen der molekularen  DMRG Theorie.
 

Polynukleare Übergangsmetallcluster
Polynukleare Übergangsmetallcluster

Polynukleare Übergangsmetallcluster

Viele anorganische und bionanorganische polynukleare Übergangsmetallcluster besitzen außergewöhnliche physikalische und chemische Eigenschaften. So sind zum Beispiel einige Vertreter in der Lage, chemische Reaktionen zu katalysieren die auf anderem Wege nicht zugänglich oder energetisch ungünstig wären. Die Aktivierung von N2 oder die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff sind zwei prominente Beispiele. Es wird angenommen, dass ein wichtiger Faktor, der zu dieser einzigartigen Reaktivität beiträgt, die große Anzahl von tiefliegenden angeregten Zuständen ist. Die Fähigkeit vieler Übergangsmetalle, ihren Oxidationszustand zu ändern ermöglicht die einfache Relokalisierung von Ladung in einem System mit mehreren Metallzentren mit einem relativ kleinen Energieaufwand. Weiterhin steigt die Anzahl an tiefliegenden angeregten Zuständen durch die Vielzahl an Möglichkeiten, mehrere Spins zu einem gegebenen Gesamtspin zu koppeln. Unser Ziel ist es, die Rolle der tiefliegenden angeregeten Zustände auf die physikalischen und Eigenschaften und die Reaktivität von polynuklearen Übergangsmetallclustern zu untersuchen.

Angeregte Zustände von organischen Molekülen
Angeregte Zustände von organischen Molekülen

Angeregte Zustände von organischen Molekülen

Elektronisch angeregte Zustände spielen eine wichtige Rolle in vielen Bereichen der Chemie, wie zum Beispiel in der Photochemie. Jedoch wird die quantenchemische Beschreibung von elektronisch angeregten Zuständen mit zunehmender Systemgröße kompliziert und rechenaufwendig. Unsere fortgeschrittenen DMRG Methoden sind sehr gut für die Anforderungen, die durch die Berechnung von angeregten Zuständen für mittelgroße organische Moleküle (~50-100 Atome) entstehen, geeignet. Sie erlauben eine hinreichend komplexe Beschreibung der Wellenfunktion und sind effizient programmiert. Unsere Absicht ist es, die angeregten Zustände von mittelgroßen Acenen, welche in optoelektronischen Elementen Einsatz finden, zu untersuchen.

 

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