Geometrická štruktúra a spinové stavy klastrov hydridov volfrámu WH_m
Geometric Structure and Spin States of Tungsten Hydride Clusters WH_m
Mandatory: xTB/CREST semiempiric method and DFT optimization of structures and their characterization.
⚑ Scope
Mandatory: WH_m, m=1-4 — method validation; experimental reference values available.Optional extension: bigger clusters; ionization cross sections
This thesis is a partial task within the research project on electron-impact ionisation cross sections for tungsten compounds relevant to thermonuclear reactor physics. Tungsten is the primary plasma-facing material in operating tokamaks (ASDEX Upgrade, WEST, EAST) and will be the main divertor material in ITER. Tungsten hydride clusters WHm form from tungsten erosion by hydrogen isotopes and enter the scrape-off layer as impurity species; a 2026 systematic study (Fivet et al.) confirms that neutral tungsten and its simple compounds are the least-covered category in the OpenADAS database. Validated molecular geometries with correct spin states are the required first step — exactly this output constitutes the thesis. The focus on small WH clusters ensures experimental reference values are available for method validation within the two-semester scope.
- Literature review: DFT and semiempirical methods for transition metals; tungsten physics in fusion plasmas; atomic databases (IAEA ALADDIN, OpenADAS) and the data gap for WH₂ and above.
- Method validation: Spin scan (uhf = 0–6) for the isolated W atom; verify that spGFN2-xTB correctly predicts the ⁷S ground state (d⁴, uhf = 6) — an internal validity check before application to clusters.
- Structure generation: Systematic conformer search for WH and WH₂ using CREST; spin state scan (uhf = 0–5 for WH, 0–4 for WH₂); deduplication of resulting structures.
- DFT optimisation: Geometry optimisation at PBE/def2-SVP with Stuttgart effective core potentials (relativistic effects on W); extract W–H bond lengths; compare with experiment (WH: ~1.72 Å; WH₂: ~1.70 Å).
Key literature
- Cramer, C.J. (2004). Essentials of Computational Chemistry. 2nd ed. Wiley. [foundational textbook — DFT and semiempirical methods]
- Fivet, V. et al. (2026). Relativistic calculations of electron impact excitation cross-sections of neutral tungsten. arXiv:2603.02612. [data gap confirmation]
- Neugebauer, P. et al. (2023). High-throughput spin-state screening with spin-polarised extended tight-binding. J. Chem. Theory Comput. 19, 6208–6225.
- Pracht, P. et al. (2024). CREST — exploration of low-energy molecular chemical space. J. Chem. Phys. 160, 114110.
- Mašín, Z. et al. (2026). Effective Core Potentials for R-matrix calculations. J. Chem. Theory Comput. 22(4). [WH as sample calculation — PhD anchor]
- Andrae, D. et al. (1990). Stuttgart energy-adjusted pseudopotentials for second and third row transition elements. Theor. Chim. Acta 77, 123–141.
- Deutsch, H. et al. (2019). Electron impact ionisation cross sections for WH. J. Chem. Phys. 150, 044305.
MSc / PhD Pathway
MSc — BEB/DM ionisation cross sections for WH clusters.PhD — UKRmol+ R-matrix electron scattering for WH₁₋₄ with Stuttgart ECPs in collaboration with Charles University Prague (Mašín/Benda group). Funding: EUROfusion Bernard Bigot Researcher Grant.
⚑ Rozsah
Povinné: WH_m, m=1-4 — overenie metódy; experimentálne referenčné hodnoty dostupné.Rozšírenie (voliteľné): väčšie klastre, ionizačné účinné prierezy
Záverečná práca predstavuje čiastkovú úlohu v rámci výskumného projektu zameraného na výpočet prierezov ionizácie elektrónovým nárazom pre zlúčeniny volfrámu relevantné pre fyziku termonukleárnych reaktorov. Wolfrám je materiálom plazmou exponovaných povrchov tokamakov ASDEX Upgrade, WEST a EAST a bude hlavným materiálom divertoru reaktora ITER. Klastre hydridov volfrámu WHₘ vznikajú pri eróziách tungsténu vodíkovými izotopmi; systematická štúdia z roku 2026 (Fivet et al.) potvrdzuje, že pre neutrálny wolfrám a jednoduché zlúčeniny sú atomárne dáta v databáze OpenADAS „najmenej pokrytou kategóriou". Riešenie tohto problému vyžaduje ako prvý krok overené geometrie molekúl so správnymi spinovými stavmi — presne tento výstup tvorí obsah tejto záverečnej práce. Práca sa zameriava na malé klastre WH, pre ktoré existujú experimentálne referenčné hodnoty.
- Literárna rešerš: Metódy DFT a semiempirické metódy pre prechodné kovy; fyzika wolfrámu v fúznych plazmách; atomárne databázy (IAEA ALADDIN, OpenADAS) a chýbajúce dáta pre WH₂ a vyššie.
- Overenie metódy: Spin scan (uhf = 0 až 6) pre izolovaný atóm W; overenie správneho základného stavu ⁷S (d⁴, uhf = 6) ako interný test validity pred aplikáciou na klastre.
- Generovanie štruktúr: Systematické prehľadávanie konformačného priestoru pre WH a WH₂ programom CREST; scan spinových stavov (uhf = 0–5 pre WH, 0–4 pre WH₂); deduplikácia výsledných štruktúr.
- DFT optimalizácia: Optimalizácia geometrií na úrovni PBE/def2-SVP so Stuttgartskými ECP; extrakcia dĺžok väzieb W–H; porovnanie s experimentom (WH: ~1,72 Å; WH₂: ~1,70 Å).