Ab initio molecular dynamics of photo-active organic molecules with non-adiabatic and spin-orbit effects.

Abstract

of the Dissertation Wasif Baig, Mirza November 2024 Photosensitizers and fluorescent probes play a crucial role in photodynamic therapy and biochemistry. However, accurately simulating these molecules presents significant theoretical challenges due to complex phenomena like conical intersections, intersystem crossings, and their interactions with the environment. This thesis compiles research papers focused on the development and application of ab initio molecular dynamics techniques, incorporating non-adiabatic and spin-orbit interactions. These methods enable the simulation of medium-sized photoactive organic molecules, not only in the gas phase but also within the complex environments of biomem- branes. The initial work explores the simulation of absorption and emission spectra of Laurdan in biomembranes. Throughout the thesis, ab initio MD simulations using TD-DFT with non-adiabatic and spin-orbit effects were employed. The results demonstrate that excited-state dy- namics, supported by the TDA, can overcome challenges TD-DFT faces near conical intersections. The core of the thesis focuses on trajectory surface hopping dynamics studies of bromi- nated and alkylated BODIPY molecules. Additional applications include the investiga- tion of optical spectra and spin-orbit couplings in...

disertační práce Wasif Baig, Mirza listopad 2024 Fotosenzibilizátory a fluorescenční sondy hrají klíčovou roli v oblasti fotodynamické terapie a biochemie. Přesná simulace těchto molekul však představuje významné teore- tické výzvy kvůli složitým jevům, jako jsou kónické průsečíky, mezisystémové přechody a jejich interakce s prostředím. Tato dizertační práce shromažd'uje výzkumné práce zaměřené na vývoj a aplikaci metod ab initio molekulové dynamiky, zahrnující neadiabatické a spin-orbitální interakce. Tyto metody umožňují simulaci středně velkých fotoaktivních organických molekul nejen v plynném stavu, ale také v komplexních prostředích biomembrán. Počáteční část práce se zabývá simulací absorpčních a emisních spekter molekuly Laurdan v biomembránách. V průběhu této práce byly použity simulace ab initio MD s využitím TD-DFT s neadi- abatickými a spin-orbitálními efekty. Výsledky ukazují, že dynamika ve vzbuzeném stavu, podporovaná TDA, může překonat výzvy, kterým TD-DFT čelí v blízkosti kónických průsečíků. Jádro této práce se zaměřuje na studium dynamiky povrchového přeskoku trajektorií bromovaných a alkylovaných molekul BODIPY. Další aplikace zahrnují výzkum optických...