Dieser Versuch kann als einer von drei Computerversuchen im Fortgeschrittenenpraktikum des Bachelorstudienganges Technische Physik gewählt werden.

Dr. Wichard J. D. Beenken
Weimarer Str. 25 / Raum C312
Tel. 03677 69 3258
Email: wichard.beenken(at)tu-ilmenau.de

Die Quantenchemischen Berechnungen werden auf dem Massiven Parallelen Computer Cluster (MaPaCC) durchgeführt. Rechnen Sie bitte damit, dass Sie ggf. zwei Termine innerhalb einer Woche für die Bearbeitung der Aufgaben brauchen werden, da einige der Berechnungen bei hoher Auslastung des MaPaCC auch länger als eine Stunde dauern können.

1. Sie benötigen einen Praktikums-Account für den MaPaCC vom Rechenzentrum. Füllen Sie dazu dieses Formular aus und geben Sie es beim Betreuer (C312) vor dem ersten Praktikumstermin ab. Es wird Ihnen dann das Password vor Versuchsbeginn mitgteilt.
2. Wenn Sie mit LINUX nicht vertraut sind, wenden Sie sich bitte an den Betreuer, der Ihnen eine kurze Einführung bzw. weiterführende Literatur geben wird.
3. Für das Jobverwaltungssystem LSF auf dem MaPaCC finden Sie eine Anleitung unter http://www.tu-ilmenau.de/unirz/Jobverwaltung-mit-LS.1491.0.html Sie benötigen es aber nur um zu kontrollieren ob Ihr Job ordnungsgemäß gestartet bzw. beendet wurde (Befehl bjobs). Alles andere sollte über die vorinstallierten Scripts von der Bedieneroberfläche (GaussView) aus gestartet werden können.
4. Lesen Sie bitte die Tutorials sowie die allgemeine Anleitung zum Arbeiten mit GaussView unter http://www.gaussian.com/g_tech/gv5ref/gv5ref_toc.htm durch, damit Sie die Funktionsweise der Bedieneroberfläche verstehen lernen. Am besten Sie lesen sich das Tutorial Basic Molecule Building durch.

Die Rechnungen können nur an den Grafik-Workstations sophokles (Raum C312) oder aurelian (Raum F227) durchgeführt werden. Teil A und B können unabhängig voneinander bearbeitet werden und sollten daher auch gleichzeitig begonnen werden. Da die einzelnen Berechnungen einige Zeit beanspruchen, sollten Sie die Pausen nutzen, um die nächste Berechnung bereits in Angriff zu nehmen. Leider lassen sich nicht alle Eventualitäten wie Falscheingaben und Fehlfunktionen vorhersehen. Wenden Sie sich daher bei Problemen umgehend an den Betreuer.

2. Führen Sie einige Male die Clean-Operation durch, damit die Ringe im Molekül nicht mehr senkrecht zueinander stehen, sondern eher planar. Unter Umständen sind um den gewünschten Erfolg zu haben vorher zwei C-Atome in verschieden Ringen mittels der Diederfunktion "Modify Dihedral" aus der senkrechten Position etwas auszulenken. Auf jeden Fall sollten Sie dieses nach dem "Clean" tun, um symmetriebedingtes Festhalten der nachfolgenden Optimierungsroutine in einer labilen Gleichgewichtslage zu verhinden.
3. Erstellen Sie nun einen Gaussian Job zur Optimierung der Grundzustandsstruktur. Verwenden Sie die DFT-Methode mit B3-LYP Funktional und 6-31G Basissatz für Ladung 0 und Singlet .
4. Speichern und schicken Sie den jeweiligen job unter phenyln_opt.com nach Drücken des submit Buttons ab. Ignorieren Sie die Meldung, dass kein .log file erzeugt wurde.
Den Status Ihrer Jobs können Sie jederzeit durch den Befehl bjobs -w einsehen.

2. Wenn ein phenyln_opt.com Job fertig ist, d.h. nicht mehr in der bjobs-Liste erscheint, öffnen Sie bitte in GaussView die jeweilige Datei phenyln_opt.chk.
1. Erstellen Sie nun einen Gaussian Job zur Energiebestimmung. Verwenden Sie die TD-SCF-Methode für DFT mit B3-LYP Funktional und 6-31G Basissatz fürLadung 0 und Singlet.
2. Speichern und schicken Sie den jeweiligen job unter phenyln_exc.com nach Drücken des submit Buttons ab. Ignorieren Sie die Meldung, dass kein .log file erzeugt wurde.
3. Verwenden Sie nun den MO-Editor und Visualisieren Sie das höchste besetzte Molekülorbital (HOMO) und das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO). Wechseln Sie nun in das Standard Fenster mit dem Molekül und lassen Sie sich dort die das HOMO anzeigen. Speichern Sie dieses Bild nach anklicken mit der rechten Maustaste unter dem Menuepunkt  Save Image file... als phenyln_homo.jpg ab. Achten Sie bitte darauf, dass dabei die Option White Background angekreuzt ist. Verbergen Sie nun das HOMO und  lassen Sie sich das LUMO anzeigen, um dann ein wie oben das Bild unter phenyln_lumo.jpg zu speichern. Überprüfen Sie im "Home"-Ordner auf dem Desktop, ob beide .jpg Dateien korrekt erzeugt wurden.
4. Wenn ein phenyln_exc.com Job fertig ist, d.h. nicht mehr in der bjobs-Liste erscheint, öffnen Sie bitte in GaussView die Datei phenyln_exc.log. Klicken Sie im Menu Results den Punkt UV-VIS an. Im sich dann öffnenden Fenster finden Sie das Absorptionsspektrum. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf dieses und wählen Sie die Option Properties. Wählen Sie unter X-Axis die Einheit eV und drücken Sie OK. Durch Anklicken der senkrechten blauen Linen können Sie die Energiewerte (in eV) und die Oszillatorstärken in der darunterliegenden Zeile einsehen. Notieren Sie diese! Wichtig für die Auswertung ist insbesonder der niedrigste Zustand, und der mit der höchsten Oszillatorstärke.

2. Gehen Sie in den Redundant-Coordinate-Editor und erzeugen Sie einen neuen Eintrag für den Dihedral 5,6,7,8 mit der Option SCAN von 0° bis 90° in Schritten von 10°
3. Erstellen Sie nun einen Gaussian Job zur Optimierung der Struktur (opt modredundant). Verwenden Sie wieder die DFT-Methode mit B3-LYP Funktional und 6-31G Basissatz für Ladung 0 und Singlet.
4. Speichern Sie den jeweiligen job unter biphenyl_scan.com ab und schicken Sie diesen durch Drücken des submit Befehls ab. (Ignorieren Sie die Meldung, dass ein .log file erzeugt wurde)
Den Status Ihrer Jobs können Sie jederzeit durch den Befehl bjobs -w einsehen.
2. Wenn der biphenyl_scan.com Job fertig ist, d.h. nicht mehr in der bjobs-Liste erscheint, öffnen Sie bitte in GaussView die Datei biphenyl_scan.log.
   1. Erstellen Sie mittels des Menuepunktes SCAN in Results die Potentialkurve und speichern sie als Bild unter biphenyl_scan.jpg ab.
   2. Bestimmen Sie die Potentialbarrierenhöhen bei 0° und 90°.
3. Erstellen Sie nun zehn Gaussian-jobs zur Berechung der Anregungsenergien.
   1. Wählen Sie dazu im Zähler des Molekülfensters zunächst die 0 und klicken Sie im Menue Calculate auf Gaussian...
   2. Wählen Sie den Job-Type Energy, die Methode TD-SCF- für DFT mit B3-LYP Funktional und 6-31G Basissatz bei Ladung 0 und Singlet. Entfernen Sie im Tab General das Häckchen für Use Modified Redundant Coordinates.
   3. Speichern Sie den jeweiligen job unter biphenyl_scang0.com, wobei g für den jeweiligen Torsionswinkel steht, durch drücken des submit Befehls ab und bestätigen Sie die Übermittlung. (Ignorieren Sie die Meldung, dass ein .log file erzeugt wurde)
   4. Erhöhen Sie den Zähler des Molekülfensters um eins und fahren Sie mit Schritt b. entsprechend fort.
4. Wenn ein biphenyl_scang.com job beendet worden ist, öffnen Sie bitte die Datei biphenyl_scang0.log, und bestimmen Sie die erste Anregungsenergie, wie in A.2.c. beschrieben.
5. Öffnen Sie nun die Dateien biphenyl_scan0.chk und biphenyl_scan90.chk. Verwenden Sie den MO-Editor und visualisieren Sie das höchste besetzte Molekülorbital (HOMO) und das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO) für den Fälle 0°, 30°, 60° und 90°. Erzeugen Sie analog wie in unter A.2.d. beschrieben vier Image-files biphenyl_ghomo.jpg und biphenyl_glumo.jpg und biphenyl_glumo.jpg. Achten Sie bitte darauf, dass dabei die Option "White Background" angekreuzt ist.

Die mit Gaussian erstellten Graphiken können vom MaPaCC herunterladen, indem Sie auf dem Arbeitsplatzrechner einen USB-Stick einstecken um die notwendigen files (.jpg) . Sehen Sie dazu im Verzeichnis /media/ nach wie der entsprechende Verzeichnisname lautet und Kopieren Sie dann die Dateien in dieses. Vor dem Herausziehen des USB-Sticks müssen Sie auf dem Desktop das USB-stick Symbol mit der rechten Maustaste anklicken und die Option Sicher Entfernen auswählen. Sollten Sie keinen USB-stick besitzen, wenden Sie sich bitte an den Betreuer.

1. Die Ausarbeitung kann in Englisch oder Deutsch abgefasst werden. Sie kann als PDF-, Word-, oder LaTeX-Datei per Email abgegeben werden.
2. Die Ausarbeitung sollte wie ein Artikelmanuskript betitelt, mit den Namen der Autoren, der affilation Institut für Physik, Technische Universität Ilmenau und dem Abgabedatum und dem Zusatz  (submitted) versehen werden.
3. Als Einführung (Introduction) sollte eine kurze Erläuterung der prinzipiellen Aufgabenstellung gegeben werden.
4. Es folge eine kurzen Beschreibung der Methodik (Methods), in der die Verwendete Theorie und die dazugeh�rigen Parameter angegeben werden. Zitieren Sie das verwendete Programm Gaussian03 als
• M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Rob, J. R. Cheeseman, J. A. Montgomery Jr., T. Vreven, K. N. Kudin, J. C. Burant, J. M. Millam, S. S. Iyengar, J. Tomasi, V. Barone, B. Mennucci, M. Cossi, G. Scalmani, N. Rega, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, M. Klene, X. Li, J. E. Knox, H. P. Hratchian, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, P. Y. Ayala, K. Morokuma, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, V. G. Zakrzewski, S. Dapprich, A. D. Daniels, M. C. Strain, O. Farkas, D. K. Malick, A. D. Rabuck, K. Raghavachari, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, Q. Cui, A. G. Baboul, S. Clifford, J. Cioslowski, B. B. Stefanov, G. Liu, A. Liashenko, P. Piskorz, I. Komaromi, R. L. Martin, D. J. Fox, T. Keith, M. A. Al-Laham, C. Y. Peng, A. Nanayakkara, M. Challacombe, P. M. W. Gill, B. Johnson, W. Chen, M. W. Wong, C. Gonzalez, and J. A. Pople, Gaussian 03 (Gaussian, Inc., Wallingford, CT, 2003).
5. Alle quantitativen Resultate (Results) sind geeignet darzustellen:
1. Numerische Resultate sind in Tabellen zusammenzufassen, die mit einer Überschrift und Erläuterung zu versehen sind.
2. Abbildungen sind mit selbsterklärenden Bildunterschriften zu versehen.
3. Um die Abhängigkeit der Anregungsenergie von der Oligomerlänge zu bestimmen (Teil A), empfiehlt es sich die notierten Anregungsenergien in einem Diagram gegen die reziproke Anzahl der Ringe 1/n aufzutragen. Erklären Sie in der Diskussion (6.a) weshalb?
4. Für die Torsionspotentiale (Teil B) ist neben der von Gaussian erzeugten Abbildung eine Grafik für beide Potentialkurven (Grund- und angeregter Zustand) zu erstellen. Dabei soll die Energie auf das Minimums im Grundzustand als Nullpunkt bezogen und in eV angegeben werden. Beachten Sie bei der Erstellung der Potentialkurve des angeregeten Zustandes, dass Sie die notierten Anregungsenergien auf die jeweiligen Grundzustandsenergien addieren müssen.
5. Erstellen Sie zudem ein je ein Diagramm (lineare Skalen) für die Abhängigkeit der Oszillatorstärke von der Oligomerlänge (Teil A) bzw. vom Torsionswinkel (Teil B).
6. Im Fließtext der Ausarbeitung sind die Abbildungen und Tabellen zu zitieren und die dort dargestellten Resultate bis auf einzelne besonders hervorhebenswürdige Werte (z.B. Barrierenhöhen) nur qualitativ zu erläutern.
6. Danach sollten die folgenden mehr qualitaiven Fragen diskutiert werden (Discussion):
   zu Teil A
   1. Wie hängen die Anregungsenergien der Oligo-para-phenylene von der Anzahl n der Ringe ab? Tragen Sie dazu die notierten Anregungsenergien der verschiedenen Oligomere abzüglich der des längsten in einem log-log Diagram gegen die jeweilige Anzahl n der Ringe auf.
   2. Wie erklärt sich die Längenabhängigkeit der Oszillatorstärke?
   3. Finden Sie ein einfaches quantenmechanisches Modell für diese Resultate.
   4. Welcher Art ist die Anregung? Vergleichen Sie dazu die Molekülorbitalbilder. Von 'wo nach wo' wird das angeregte Elektron verschoben?
   zu Teil B
   5. Wie läßt sich der Verlauf der Torsionspotentialkurven im angeregten und Grundzustand qualitativ erklären?
   6. Warum ist das Minimum im Grundzustand nicht bei 0°, im angeregten Zustand aber sehr wohl?
   7. Wie erklären Sie sich, dass die Potentialbarriere bei 90° im angeregten Zustand soviel größer ist als im Grundzustand? Vergleichen Sie dazu u.a. auch die Bilder der jeweiligen HOMOs und LUMOs.
   8. Überlegen Sie sich, welche Auswirkungen die Form der Torsionspotentialkurven auf die Struktur von Absorptions- und Emissionsspektrum haben könnte.
   Fassen Sie als Abschluss Ihrer Ausarbeitung (Conclusion) die Antworten auf obige Fragen in zwei bis drei Sätzen zusammen.

Viel Spaß!