Расширенные методы квантовой химии на основе tight-binding

В данном обзоре рассматривается семейство атомистических, преимущественно квантово-химических (QC) полуэмпирических методов для быстрой и достаточно точной описания крупных молекул в газовой и конденсированной фазах. Теория выведена из разложения возмущений функционала плотности (DFT) по флуктуационным членам плотности электронов до различных порядков, аналогично исходной модели density functional tight binding. Термин «eXtended» в названии (xTB) подчёркивает наличие параметров почти для всей таблицы Менделеева (Z ≤ 86) и улучшения базовой теории, касающиеся, например, базиса атомных орбиталей, уровня мультипольного приближения и обработки важных электростатических и дисперсионных взаимодействий. Общая черта большинства членов семейства — их согласованная параметризация по точным теоретическим эталонным данным в газовой фазе для геометрий, вибрационных частот и нековалентных взаимодействий, которые являются основными свойствами, представляющими интерес в типичных приложениях к системам численностью до нескольких тысяч атомов. Были также разработаны специализированные версии для описания электронных спектров и соответствующих ответных свойств. Помимо единой теоретической базы с важными деталями реализации в эффективной и бесплатной программе xtb обсуждаются различные бенчмарки для структурных и термохимических свойств, включая системы с переходными металлами. Обзор завершается недавними расширениями модели до уровня полевой модели (force-field, FF) и её применением к твёрдым телам в условиях периодических граничных условий. Общая применимость в сочетании с отличным соотношением затрат и точности и высокой устойчивостью делает семейство методов xTB очень привлекательным для различных областей компьютерно-ориентированных химических исследований.