Proposition d'une méthode accélérée utilisant des descripteurs de réactivité pour explorer les surfaces d'énergie potentielle dans les amas atomiques

Proposal for an Accelerated Method Using Reactivity Descriptors to Explore Potential Energy Surfaces in Atomic Clusters

Propuesta de un Método Acelerado utilizando Descriptores de Reactividad para Explorar Superficies de Energía Potencial en Clúster Atómicos

• Auteur / Autrice : Diego Inostroza
• Direction : Julia Contreras-García, William Tiznado
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 26/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Universidad Andrés Bello (Santiago)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de chimie théorique (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Carlos Cárdenas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eduardo Chamorro, Alexis Markovits
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carlos Cárdenas, Tatiana Gómez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes optimaux

Chimie physique et théorique

Théorie de la fonctionnelle de densité

Surfaces d'énergie potentielle

Mots clés libres

Surface d'énergie potentielle

Algorithme d'optimisation

Chimie computationnelle

Théorie fonctionnelle de la densité

Potential energy surface

Optimization algorithm

Computational chemistry

Density functional theory

Résumé

La complexité isomorphique croissante des amas atomiques avec l'augmentation de leur taille a incité la communauté scientifique à créer une variété de techniques et de stratégies innovantes pour analyser efficacement la surface d'énergie potentielle (SEP). Dans ce contexte, la présente étude introduit un ensemble d'outils de calcul hautement optimisés conçus pour accélérer l'identification des minima énergétiques dans la SEP des systèmes moléculaires et des amas atomiques. Ces outils se distinguent par leur efficacité de calcul, ce qui en fait une option attrayante pour la recherche future. Des évaluations complètes des techniques stochastiques et dirigées précédemment décrites dans la littérature scientifique ont été réalisées. L'algorithme AUTOMATON, en particulier, a été mis à jour avec des implémentations significatives qui ont permis l'identification de nouveaux systèmes atomiques, tels que le premier carbone hexacoordonné dans une configuration planaire. 1 Les techniques stochastiques ont été abordées par l'incorporation de descripteurs de réactivité, tels que la fonction Fukui(i), qui ont permis de guider avec précision la recherche de minima énergétiques et de structures stables. En outre, grâce à l'intégrale NCI (ii), nous avons pu démontrer une forte corrélation entre les valeurs d'intégration et l'énergie du système en question. Cette découverte constitue un point de départ prometteur pour de futures recherches dans ce domaine. La combinaison stratégique des techniques d'essaimage de particules et des permutations atomiques a considérablement amélioré notre capacité à explorer la SEP, facilitant l'identification d'un large éventail de solutions. Ces outils sont allés au-delà de la simple reproduction de résultats antérieurs, découvrant au passage de nouveaux minima globaux et des structures stables. En fusionnant des concepts chimiques fondamentaux avec des méthodes d'optimisation avancées et des algorithmes stochastiques, ce travail de thèse a établi une approche hautement prédictive de l'exploration chimique et de la conception de nouveaux matériaux.

The increasing isomorphic complexity of atomic clusters with increasing size has prompted the scientific community to create a variety of innovative techniques and strategies to efficiently analyze the potential energy surface (PES). In this context, the present study introduces a set of highly optimized computational tools designed to streamline the identification of energetic minima in the PES of molecular systems and atomic clusters. These tools are noted for their computational efficiency, making them an attractive option for future research. Comprehensive evaluations of stochastic and directed techniques previously described in the scientific literature were performed. The AUTOMATON algorithm, in particular, was updated with significant implementations that enabled the identification of novel atomic systems, such as the first hexacoordinate carbon in a planar configuration. 1 Stochastic techniques were addressed through the incorporation of reactivity descriptors, such as the Fukui function (i), which allowed to accurately guide the search for energetic minima and stable structures. Furthermore, through the NCI Integral (ii), we were able to demonstrate a strong correlation between the integration values and the energy of the system of interest. This finding establishes a promising starting point for future research in this field. The strategic combination of particle swarm techniques with atomic permutations has greatly enhanced our ability to explore PES, facilitating the identification of a wide range of solutions. These tools have gone beyond simple replication of previous results, uncovering new global minima and stable structures in the process. By merging fundamental chemical concepts with advanced optimization methods and stochastic algorithms, this thesis work has established a highly predictive approach to chemistry exploration and new materials design.