Modern, icke-lokal täthetsfunktionalteori for material

Forskningsprojekt, 2019 – 2021

Samhällsutvecklingen gynnas av snabba framsteg inom materialforskningen. Det behövs en kostnadseffektiv teori som kan förutsäga materialfunktion utifrån atompositioner. Täthetsfunktionalteorin gör det möjligt att beräkna materials egenskaper via elektronernas fördelning (”täthet”) på atomnivå. Täthetsfunktionalteori är i sig lika exakt som kvantfysikens Schrödingerekvation, men i praktiken måste vi förenkla beskrivningen av elektronernas rörelse. Det finns sedan tidigare en approximation som är bra för hårde material med hög elektrontäthet. Den har skapat stora framgångar för till exempel stålindustrin i Sverige. För att möjliggöra fortsätta materialframgångar behövs dock en ny materialteori som också är noggrann i beskrivningen av mjuka material med glesare elektronfördelning, t.ex. molekylsystem. Den stora utmaningen är att hitta en approximation som på en och samma gång kan beskriva mjuka och hårda delar av samma materialsystem. Här finns ett stort potential för framsteg, då en sådan teori kan stärka utvecklingen inom många områden, t.ex. molekylbaserad energilagring, medicin, och organiska solceller. I flera av dessa problem behöver vi veta hur organiska molekyler växelverkar med halvledarsubstrat eller elektriska kontakter. En modern approximation av täthetsfunktionalteori har sedan sekelskiftet växt fram. Vi har bidragit väsentligt genom att skapa täthetsfunktionalmetoden vdW-DF, som tar med även växelverkan mellan de olika delarna i mjuka materialsystem. Inom vdW-DF metoden bestäms, i princip, allt av kvant- och mångpartikelteori och den har därför potential att fungera för alla typer av problem. Vi har systematiskt förfinat metoden i en konsistent version kallad svdW-DF-cx som vi (och andra) har dokumenterat är noggrann för alla typer av material. Den står i dag inför ett antal slutliga förbättringar som måste till, så som en konsistent implementering i kod för materialberäkningar. Vi vill här slutföra och lansera svdW-DF-cx för att ge svenska materialforskare ett generellt verktyg för ny atomskalig materialteori och skapa tillit till metoden. Detta kommer vi göra genom att (1) uppdatera vårt kodbibliotek till den typ av koder som kemister föredrar, (2) se till att även materialfysikere (som typiskt använder kod med så kallade pseudopotentialer) får fördel av den förbättrade noggrannheten, och (3) att ta fram nya testsystem för bindningar inom biologiska system (bindning mellan DNA baspar) och vid adsorption av organiska molekyler.