Analysis of Non-Covalent interactions in general classes of materials using a real-space charge density approach

Abstract

Non-covalent interactions have long been known to be responsible for significant mechanisms in biological structures, and have historically lacked a satisfying or intuitive quantum mechanical description. The recently developed NCI index method by Johnson et al [1] fills a gap that existed within topological methods for the visualization of non-covalent interactions [2]. Even following its implementation by some of the original authors on the NCIPLOT software [3, 4], the method itself has not gained much traction in the Physics community, despite its possible and pertinent use in visualizing and describing non-covalent interactions in solids, including novel materials in which this type of interaction is responsible for structural stabilization. The project described in this document aims to bridge this gap between the method and its potential users by implementing it on a significantly simple, fast, and easy to modify Python script which works for several types of systems and takes as input files of the universally known cube format, which can be output by most major quantum chemistry and electronic structure codes. The resulting code is tested on both simple systems and systems of significant interest.[1] Erin R. Johnson, Shahar Keinan, Paula Mori-Sánchez, Julia Contreras-García, Aron J. Cohen, and Weitao Yang. Revealing noncovalent interactions. Journal of the American Chemical Society, 132(18) 6498–6506, may 2010.[2] Christophe Narth, Zeina Maroun, Roberto A. Boto, Robin Chaudret, Marie Laure Bonnet, Jean Philip Piquemal, and Julia Contreras-García. A Complete NCI Perspective: From New Bonds to Reactivity. In Challenges and Advances in Computational Chemistry and Physics, volume 22, pages 491–527. 2016.[3] Julia Contreras-García, Erin R Johnson, Shahar Keinan, Robin Chaudret, Jean-Philip Piquemal, David N Beratan, and Weitao Yang. NCIPLOT: A Program for Plotting Noncovalent Interaction Regions. J. Chem. Theory Comput, 7:625–632, 2011.[4] Roberto A Boto, Francesca Peccati, Chaoyu Quan, Alessandra Carbone, Jean-Philip Piquemal, Yvon Maday, and Julia Contreras-Garcia. NCIPLOT4: Fast, Robust, and Quantitative Analysis of Noncovalent Interactions. J. Chem. Theory Comput, 16:0, 2020.

Há algum tempo se sabe que interações não-covalentes são responsáveis por mecanismos significativos em estruturas biológicas e, historicamente, careciam de uma descrição quântica intuitiva ou satisfatória. O método `NCI index' desenvolvido recentemente por Johnson et al [1] preenche uma lacuna que existia em métodos topológicos para a visualização de interações não-covalentes [2]. Mesmo depois da sua implementação por alguns dos seus autores originais no software NCIPLOT [3, 4], o método em si não ganhou muita visibilidade na comunidade de Física, apesar do seu uso possível e pertinente na visualização e descrição de interações não-covalentes em sólidos, incluindo novos materiais nos quais este tipo de interação é responsável pela estabilização estrutural. O projeto descrito neste documento visa preencher esta lacuna entre o método e seus potenciais usuários, implementando-o num `script' Python significativamente simples, rápido e fácil de modificar, que funciona para vários tipos de sistemas e toma como `input' ficheiros do formato universalmente conhecido `cube', que pode ser gerado pela maioria dos principais códigos de química quântica e estrutura eletrónica. O código resultante é testado tanto em sistemas simples como sistemas de interesse significativo.[1] Erin R. Johnson, Shahar Keinan, Paula Mori-Sánchez, Julia Contreras-García, Aron J. Cohen, and Weitao Yang. Revealing noncovalent interactions. Journal of the American Chemical Society, 132(18) 6498–6506, may 2010.[2] Christophe Narth, Zeina Maroun, Roberto A. Boto, Robin Chaudret, Marie Laure Bonnet, Jean Philip Piquemal, and Julia Contreras-García. A Complete NCI Perspective: From New Bonds to Reactivity. In Challenges and Advances in Computational Chemistry and Physics, volume 22, pages 491–527. 2016.[3] Julia Contreras-García, Erin R Johnson, Shahar Keinan, Robin Chaudret, Jean-Philip Piquemal, David N Beratan, and Weitao Yang. NCIPLOT: A Program for Plotting Noncovalent Interaction Regions. J. Chem. Theory Comput, 7:625–632, 2011.[4] Roberto A Boto, Francesca Peccati, Chaoyu Quan, Alessandra Carbone, Jean-Philip Piquemal, Yvon Maday, and Julia Contreras-Garcia. NCIPLOT4: Fast, Robust, and Quantitative Analysis of Noncovalent Interactions. J. Chem. Theory Comput, 16:0, 2020.