Genetic algorithms in theoretical chemistry [Elektronische Ressource] : development and applications of a general purpose framework / submitted by Johannes M. Dieterich

J. M. Dieterich

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• Publié par: christian-albrechts-universitat_zu_kiel
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 25
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 17 Mo

Extrait

GeneticAlgorithmsinTheoreticalChemistry
DevelopmentandApplicationsofaGeneralPurposeFramework.
DoctoralThesis
submittedinpartialfulfillment
oftherequirementsforthedoctoraldegree
Dr. rer. nat.
totheFacultyofMathematicsandNaturalSciences
oftheChristian Albrechts UniversityofKiel
Submittedby
JohannesM.Dieterich
Kiel2010Referent Prof. Dr. Bernd Hartke
Korreferent Prof. Dr. Roy L. Johnston
Tag der mundlichen Prufung 11. Oktober 2010¨ ¨
Zum Druck genehmigt 11. Oktober 2010
Der Dekan Prof. Dr. Lutz KippKurzzusammenfassung
Die vorliegende Arbeit behandelt die Implementierung und Anwendung genetischer Al-
gorithmen in der Theoretischen Chemie. Genetische Algorithmen sind eine elegante und
effiziente M¨oglichkeit, NP-harte Probleme global zu optimieren bzw. zu l¨osen [1].
Es wurde ein neues Programmpaket, ogolem, entwickelt. Diese Entwicklung ist rein
objektorientiertundhochparallel. DasProgrammpaketbesitztdreiHauptteilezurOpti-
mierungvonClusterstrukturenbeliebigerZusammensetzung, zurParameteroptimierung
und zum Design von optimal schaltbaren Moleku¨len.
Es werden die verwendeten Methoden und Techniken vorgestellt und eingeordnet. Alle
Programmteile sind durch Anwendungen reprasentiert. Diese Anwendungen umfassen¨
teilweise mehr als einen Programmteil. Dies kann als Hinweis auf die gute Verzahnung
der verschiedenen Programmteile gesehen werden.
Die vorgestellten Anwendungen umfassen ausfuhrliche Leistungstests des Frameworks,¨
die Parametrisierung eines LJ(6,16,2)-Kraftfeldes und die Anwendung desselbigen auf
die Strukturoptimierung stark gemischter Lennard-Jones-Cluster. Des Weiteren wer-
den Kanamycin-A-Dimere optimiert und mit Blick auf das Experiment analysiert. Als
Beispiel fur das Design optimal schaltbarer Molekule werden auf der Basis des ver-¨ ¨
bru¨ckten Azobenzols Schalter entwickelt, deren vertikale Anregungsenergien identisch
zur Wellenl¨ange kommerziell erha¨ltlicher Laserpointer ist.
Die Anwendungen werden in den Gesamtzusammenhang eingeordnet und wenn notig¨
durch Informationen erganzt, die zu detailliert fur die entsprechenden Publikationen¨ ¨
sind.
Ein Ausblick wird sowohl mit Blick auf weitere Entwicklungsm¨oglichkeiten des Pro-
gramms als auch auf mogliche Anwendungen oder Vertiefungen der vorgestellten An-¨
wendungen versucht.Short Summary
This work deals with the implementation and application of genetic algorithms in the-
oretical chemistry. Genetic algorithms provide elegant and efficient means of optimiz-
ing/solving NP-hard problems [1].
A new framework,ogolem was developed for this purpose. The development is purely
object-oriented and highly parallel. The framework is separated into three major parts,
the global optimization of cluster structures of arbitrary composition, the optimization
of parameters and the design of optimally switchable molecules.
The used methods and techniques are presented and put into the context. All program
parts are presented through applications. These applications may cover more than one
program part. This can be seen as a hint on the good interlocking of the different
program parts.
The presented applications include detailed performance benchmarks of the framework,
the parametrization of a LJ(6,16,2)-type force field und its application to the optimiza-
tion of highly mixed Lennard-Jones clusters. Furthermore, dimers of Kanamycin A are
optimized and analyzed with the aim of providing information for experiment. As an
example for the design of optimally switchable molecules, switches based on the bridged
azobenzene backbone are developed. Their vertical excitation energies are tuned to be
in agreement with the wavelengths of commercially available laser pointers.
All applications are put into the overall context and, if necessary, additional information
is added which was too detailed to appear in the corresponding publication.
It is attempted to give an outlook both for future development possiblities of the frame-
work as well as possible applications or further studies on the presented ones.Contents
1 Introduction 1
2 Techniques and Methods 5
2.1 Hypersurfaces: Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Minimum Finding: Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Minimum Finding: Local Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.1 Methods using Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2 Methods without Derivatives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Minimum Finding: Global Techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.1 Genetic Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.2 Other Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.3 Applications of Global Minimum Finding . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 Non-parametrized Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.1 Quantum Mechanics: Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.2 Hartree-Fock Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.3 Møller-Plesset Perturbation Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.4 Coupled-Cluster Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.5 Further Developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6 Parametrized Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
i2.6.1 Force Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6.2 Semiempirical Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6.3 Density Functional Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.7 Programming Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.7.1 Choosing a Programming Language . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.7.2 Object-Oriented Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.7.3 Parallelization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8 State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.8.1 Programming Techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.8.2 Cluster Structure Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3 The OGOLEM Framework 51
3.1 Scope of the Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2 Own Contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3 Publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4 Additional Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.1 Collision Detection and Dissociation Detection . . . . . . . . . . . 54
3.4.2 Object-Oriented Design Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4 Benchmarking the Framework 59
4.1 Scope of the Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2 Own Contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3 Publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5 Highly Mixed LJ Clusters 83
5.1 Scope of the Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.2 Own Contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3 Publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4 Additional Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4.1 Notes on the Parameter Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6 Kanamycin A Dimers 89
6.1 Scope of the Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.2 Own Contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.3 Publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 917 Design of Switchable Molecules 111
7.1 Scope of the Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.2 Own Contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.3 Publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.4 Additional Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.4.1 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8 Summary 115
Acknowledgments 119
References 121
Declaration 133
Curriculum Vitae 135