Estudio y diseño teórico de clústeres atómicos
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Fecha
2012
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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