Efficient structure optimization methods for large systems and their applications to problems of heterogeneous catalysis

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung des genetischen Starrkörper-Algorithmus (rigid body genetic algorithm, RGBA), und seine Anwendung zur Untersuchung der Kohlenwasserstoff-Adsorption auf der MgO (001) Oberfläche. Die RBGA Methode ist ein modifizierter hybrid-genetischer Algorithmus mit Starrkörper-Optimierung im lokalen Optimierungsschritt. Diese Modifikation führt zu einer großen Vereinfachung des Optimierungsproblems und ermöglicht damit, eine große Anzahl von möglichen Konfigurationen zu analysieren. Die zentrale Annahme der Methode ist, dass die einzelnen Teile des Systems (starrer Körper) während der gesamten globalen Optimierung nicht ihre interne Konfiguration ändern. Daher ist diese Methode ein geeignetes Werkzeug, um Phänomene wie Adsorption zu studieren, in dem alle Teilsysteme - Oberfläche und einzelne Moleküle - ihre interne Struktur bewahren. Der Algorithmus ermöglicht das Auffinden der globalen Minima für die Starrkörper, die dann im nächsten Schritt vollständig optimiert („relaxiert“) werden, um Verformungen aufgrund der Entspannung der Oberfläche und des Adsorbats auszumachen.

The present work was concentrated on developing the Rigid Body Genetic Algorithm (RBGA), and applying it to investigate the hydrocarbon adsorption on the MgO(001) surface. The RBGA method is a modified hybrid genetic algorithm with rigid body optimization at the local optimization step. The modification allows for a vast simplification of the optimization problem, and, in turn, to search a large number of possible configuration. The key assumption of the method is that individual parts of the system (rigid bodies) do not change their internal configuration throughout the global optimization. Therefore, this method is a perfect tool to study phenomena like adsorption, where all the subsystems – surface and individual molecules – preserve their internal structure. The algorithm allows to obtain global minima, which then can be fully optimized and to account for deformations due to the relaxation of the surface and adsorbate molecules.