Estudio y diseño teórico de clústeres atómicos

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Fecha
2012
Facultad/escuela
Idioma
es
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Editor
Universidad Andrés Bello
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Resumen
Los clústeres atómicos son cúmulos o agregados de átomos con un tamaño intermedio entre el nivel molecular y el bulk de un sólido. Los clústeres atómicos a menudo poseen propiedades físicas y químicas muy particulares, lo cual los hace importantes objetos de estudio. La característica de poder cambiar las propiedades al cambiar el número de átomos dentro de clústeres constituidos por los mismos elementos, se debe a que la estructura electrónica también cambia drásticamente, es por esto que establecer reglas predictivas en las propiedades de estos sistemas no es sencillo. Los estudios teóricos son de mucha importancia y necesarios para poder entender la naturaleza química y física de estos sistemas, por ejemplo estudiar las características de los enlaces que forman, sus conFiguraciones electrónicas, que guardan estricta relación con las propiedades medibles experimentalmente. En esta tesis abordamos el estudio teórico de clúster atómicos desde diferentes perspectivas. Por un lado estamos interesados en evaluar algunas metodologías de uso popular pero en sistemas químicos que necesitan cierta rigurosidad en el cálculo de sus propiedades, así por ejemplo evaluaremos como son descritos los campos magnéticos inducidos en sistemas que contienen metales pesados, evaluaremos la capacidad de las reglas de Hückel en predecir sistemas estables en base a átomos diferentes al carbono. Por otro lado proponemos la extensión de algunas metodologías en el estudio y entendimiento de la formación y evolución de clústeres atómicos, específicamente, extendemos el modelo de Jellium o el Phenomenologycal Shell Model (PSM) en la descripción de la evolución de clústeres basados en Si y Li. En este mismo contexto, proponemos un modelo empírico basado en la información obtenida del análisis topológico de la función de Fukui para predecir el crecimiento de clústeres atómicos. Una breve descripción de cada uno de los resultados mencionados se muestra en los siguientes párrafos de este resumen. Los clústeres binarios de elementos del grupo IV con metales son sistemas, muy interesantes, en especial los basados en Silicio-Litio por su potencial aplicabilidad como materiales en la construcción de baterías para almacenamiento de energía. Recientes investigaciones en el diseño de nuevos clústeres atómicos análogos a los hidrocarburos aromáticos, mostraron que la estructura de mínima energía para Si 5Li/ posee una forma de estrella estable, la cual presenta aromaticidad y es isovalente al hidrocarburo aromático C5H5-. En este trabajo se plantea el diseño de un clúster atómico estable basado en Silicio-Litio, análogo al hidrocarburo aromático C4H/. La búsqueda de estructuras de mínima energía sobre la superficie de energía potencial para Si 4Lin (n=l- 7) muestra que los clusters mas estables tienen conFiguración tridemencional, cuya evolución y estabilidad se puede explicar mediante el Phenomenologycal Shell Model (PSM). Con la seguridad de haber explorado exhaustivamente la isosuperfície de energía potencial, proponemos a las estructuras que corresponden a mínimos globales como buenos candidatos para la detección experimental. Otros tipos de clústeres muy interesantes son los clúster E ,2- 2 (E = Ge, Sn, Pb ), los cuales han llamado la atención por su alta estabilidad y evidencia experimental. Su gran estabilidad se debe a la alta deslocalización electrónica, la cual en sistemas 30 y con el número correcto de electrones se puede asignar como aromaticidad esférica, análoga a la que presentan los fulerenos. En este trabajo se evalúa la dependencia de la técnica de corrimiento químico independiente del núcleo, NICS (nucleus-independent chemical shift) cuando se incluyen correcciones relativistas incorporadas vía aproximación de orden cero (ZORA). Los resultados muestran que este descriptor de aromaticidad se ve fuertemente afectado por las correcciones relativistas, presentando cambios trascendentales en la medida de los NICS. Aunque el carbono y el boro son átomos vecinos en la tabla periódica sus propiedades de enlace son muy diferentes. El carbono tiende a formar enlaces tipo a de dos centros dos electrones (2c-2e) con otros átomos de carbono. Los hidrocarburos saturados CnH2n+2 son un ejemplo de compuestos donde predomina el enlace sigma 2c-2e formado por los orbitales híbridos sp3 . Se tendería a pensar que en los compuestos con boro, los enlaces sigma 2c-2e formados por orbitales híbridos sp2 deberían de ser elementos dominantes de enlace para estos sistemas, como en el caso del carbono. En esta tesis se realizará una exploración del porqué los boranos evaden la forma de estructuras clásicas con enlaces sigma (2c-2e) formado por los orbitales híbridos sp2 en la serie BnHn+z, las cuales desde un punto de vista químico, serian análogas a los de los hidrocarburos saturados CnH2n+2 Existen númerosos estudios tanto experimentales como teóricos en clústeres de silicio enfocados en tratar de explicar cuál es la posible geometría y como varían sus propiedades, tanto químicas como físicas a medida que incrementa el tamaño del sistema. Esto corresponde a la transición átomo ~ clúster ~ bulk. En este trabajo se presenta el desarrollo de una metodología basada en el criterio de máximo traslape entre funciones de Fukui (máximum Matching) para predecir la mejor interacción entre pequeños clústeres de silicio para formar estructuras de mayor tamaño. El modelo está basado en el análisis topológico de la función de Fukui. Los resultados obtenidos en este trabajo muestran que la función de Fukui es una herramienta útil a la hora de predecir la formación de grandes clústeres atómicos en su con Figuración más estable.
Notas
Tesis (Doctor en Fisicoquímica Molecular)
Palabras clave
Átomos, Orbitales Moleculares
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