TURBOMOLE

TURBOMOLE ist ein Softwarepaket für Ab-initio-Berechnungen der elektronischen Struktur von Molekülen in der Quantenchemie, das ab den 1980er-Jahren in der Arbeitsgruppe um Reinhart Ahlrichs an der Universität Karlsruhe und dem Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt wurde. Damit wurde es möglich, Wellenfunktionen, Geometrien und Eigenschaften großer Moleküle zu berechnen. Dies kann auf dem Niveau der Hartree-Fock-Methode, der DFT oder korrelierten Wellenfunktionsmethoden wie Coupled-Cluster-Theorie oder Møller-Plesset-Störungstheorie durchgeführt werden. Nach Bestimmung der Molekülstruktur können mit einer Vielzahl von Modulen wichtige chemische und physikalische Eigenschaften berechnet werden.

TURBOMOLE gilt als eines der schnellsten und stabilsten Programme für quantenchemische Berechnungen und Darstellungen.

Entwicklung

Bis 2007 wurde die Basis des Programms von Post-Doktoranden und Studenten um Ahlrichs konzipiert und geschrieben. Mit der Zeit gestalteten sich die Umstände dahingehend, dass Ahlrichs in den Ruhestand gegangen war, und einige Wissenschaftler seines Teams immer noch etwas zum Programm beigetragen und sich dafür verantwortlich gezeigt haben, jedoch in unterschiedliche Richtungen von der Universität Karlsruhe abgegangen waren. Dementsprechend zeigte es sich notwendig, ein eigenes unabhängiges Unternehmen zu gründen. Im Jahre 2007 wurde von den hauptsächlichen Entwicklern des Programms die TURBOMOLE GmbH mit Sitz in Karlsruhe gegründet. Die Mitbegründer des Unternehmens waren Reinhart Ahlrichs, Filipp Furche, Christof Hättig, Willem Maarten Klopper, Marek Sierka und Florian Weigend. Letztere beide sind heute die Vorstandsvorsitzenden. Dieses Unternehmen trägt heute die Verantwortung für die Koordination der wissenschaftlichen Entwicklung und hält alle Kopierrechte und das Geistige Eigentum des Programms TURBOMOLE. Teil der Unternehmensphilosophie ist es, die gesamten Einnahmen in die Weiterentwicklung des Programms zu investieren.

Mit ständiger Weiterentwicklung ist in den fast 25 Jahren des Bestehens des Programms ein sehr umfangreiches Werkzeug entstanden, das akademisch und industriell genutzt wird. Mittlerweile kann es in Forschungsfeldern die heterogene und homogene Katalyse, die organische und anorganische Chemie, Spektroskopie und Biochemie betreffend eingesetzt werden.

Applikationen

Folgende Applikationen werden unter anderen vom Programm TURBOMOLE abgedeckt:

• Berechnung von Energie, Wellenfunktion und Geometrie im elektronischen Grundzustand, wie z. B. nach folgenden Methoden:
  • Hartree-Fock-Methode
  • Dichtefunktionaltheorie
  • Møller-Plesset-Störungstheorie (MP2, MP3, MP4)
  • Coupled-Cluster-Theorie (CC2, CCSD, CCSD(T), CC3)
• Berechnungen in elektronisch angeregten Zuständen, wie z. B. nach folgenden Methoden:
  • Time-dependent DFT
    • Random-Phase-Approximation (RPA)
    • Tamm-Dancoff-Näherung (TDA)
  • Configuration Interaction Singles (CIS)
  • CC2 approximative Coupled-Cluster-Theorie
  • CCSD Coupled-Cluster mit Einfach- und Doppelanregungen
  • algebraisch-diagrammatische Konstruktion 2. Ordnung (ADC(2))
• Ermittlung des Übergangszustands
• ab-initio Moleküldynamik
• diverse Eigenschaften und Spektren, wie z. B.:
  • IR-Schwingungsspektroskopie
  • NMR-Spektroskopie
  • UV/VIS-Spektroskopie
  • Raman-Spektroskopie
  • ECD-Spektroskopie
  • VCD-Spektroskopie
  • Zweiphotonen-Spektroskopie
  • Zwei-Photonen-Circulardichroismus
  • Phosphoreszenz-Lebensdauern

Weiterhin existiert eine grafische Benutzerschnittstelle.

Literatur

• Reinhart Ahlrichs et al.: Electronic structure calculations on workstation computers: the program system TURBOMOLE. In: Chemical Physics Letters. Band 162, Nr. 3. Amsterdam 1989, S. 165–169, doi:10.1016/0009-2614(89)85118-8. 
• Reinhart Ahlrichs et al.: Quantenchemie: Von Molekülen zu Clustern. In: Bunsen-Magazin. Jg. 3, Nr. 6, 2001, ISSN 0005-9021, S. 157–162. 
• Jon Baker: Techniques for Geometry Optimization. A Comparison of Cartesian and Natural Internal Coordinates. In: Journal of Computational Chemistry. Organic / Inorganic / Physical / Biological. Jg. 14, Nr. 9. New York 1993, S. 1085–1100, doi:10.1002/jcc.540140910. 
• Jon Baker, M. Shirel: Ab initio quantum chemistry on PC-based parallel supercomputers. In: Parallel Computing. Jg. 26, Nr. 7/8, ISSN 0167-8191, S. 1011–1024, doi:10.1016/S0167-8191(00)00024-7. 
• Richard A. Friesner: Ab initio quantum chemistry: Methodology and applications. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 102, Nr. 19. Washington 2005, S. 6648–6653, doi:10.1073/pnas.0408036102, PMC 1100737 (freier Volltext). 
• Mareike Gerenkamp, S. Grimme: Spin-component scaled second-order Møller–Plesset perturbation theory for the calculation of molecular geometries and harmonic vibrational frequencies. In: Chemical Physics Letters. Band 392, Nr. 1–3. Amsterdam 2004, S. 229–235, doi:10.1016/j.cplett.2004.05.063. 
• Johannes Grotendorst (Hrsg.): High Performance Computing in Chemistry. Jülich 2005, ISBN 3-00-013618-5 (Online [PDF; 4,7 MB; abgerufen am 8. September 2021]). 
• Paul Lauwers, P. Sorantin: Schlußbericht zum Verbundprojekt Skalierbare Parallelisierung des ab-initio Codes TURBOMOLE. St. Augustin, München 1994. 
• Markus J. Loferer et al.: A QM–MM Interface between CHARMM and TURBOMOLE. Implementation and Application to Systems in Bulk Phase and Biologically Active Systems. In: Journal of Computational Chemistry. Organic / Inorganic / Physical / Biological. Jg. 24, Nr. 10. New York 2003, S. 1240–1249, doi:10.1002/jcc.10283. 
• Gábor Magyarfalvi, P. Pulay: Assessment of density functional methods for nuclear magnetic resonance shielding calculations. In: The Journal of Chemical Physics. Band 119, Nr. 3. Melville 2003, S. 1350–1357, doi:10.1063/1.1581252. 
• Ulf Ryde, K. Nilsson: Quantum Chemistry Can Locally Improve Protein Crystal Structures. In: Journal of the American Chemical Society. Jg. 125, Nr. 47. Washington 2003, S. 14232 f., doi:10.1021/ja0365328. 
• Ansgar Schäfer et al.: COSMO Implementation in TURBOMOLE. Extension of an efficient quantum chemical code towards liquid systems. In: Physical Chemistry Chemical Physics. A journal of European Chemical Societies. Jg. 2, Nr. 10. Cambridge 2000, S. 2187–2193, doi:10.1039/B000184H. 
• Claudia Steffen et al.: TmoleX – A Graphical User Interface for TURBOMOLE. In: Journal of Computational Chemistry. Organic, Inorganic, Physical, Biological. Jg. 31, Nr. 16. New York 2010, S. 2967–2970, doi:10.1002/jcc.21576. 
• Malte von Arnim, R. Ahlrichs: Performance of Parallel TURBOMOLE for Density Functional Calculations. In: Journal of Computational Chemistry. Organic / Inorganic / Physical / Biological. Jg. 19, Nr. 15. New York 1998, S. 1746–1757, doi:10.1002/(SICI)1096-987X(19981130)19:15<1746::AID-JCC7>3.0.CO;2-N. 
• TURBOMOLE. Program Package for ab initio Electronic Structure Calculations. User's Manual. Turbomole Version 7. 2015 (PDF). 

Weblinks

• TURBOMOLE GmbH
• TURBOMOLE users forum
• TURBOMOLE facebook site