Esta tese tem como objetivo o tratamento quantitativo do desvio de frequência vibracional em líquidos iônicos sob pressão. O estudo dos líquidos iônicos tetrafluoroborato de 1-butil-3- metilimidazólio, 1-hexil-3-metilimidazólio e 1-octil-3-metilimidazólio em alta pressão foram feitos a partir de uma abordagem conjunta entre simulação, espectroscopia e teoria de líquidos. As equações de estado desses sistemas obtidas a partir de dados na faixa de MPa são necessárias na análise de dados espectroscópicos obtidos na região de GPa. Torna-se necessário obter então os dados de densidade desses sistemas para a região de pressão maiores, e uma metodologia para selecionar entre diferentes equações de estado propostas na literatura que extrapolam de forma muito diversa na região de GPa. Duas propostas para validar tais Equações de Estado, e obter os dados de densidade em alta pressão são propostas. A primeira trata de comparar as extrapolações com os dados de Dinâmica Molecular clássica. Isso gera um problema em si pois o próprio campo de força usado nas simulações não foi parametrizado para a região de GPa. No entanto, uma boa concordância da forma da curva obtida via simulação e uma das equações de estado indica que o modelo de Domanska poderia ser considerado superior aos demais. Tal fato é comprovado pela segunda estratégia, em que as diferentes equações de estado são utilizadas para analisar os dados de desvio de frequência do modo de estiramento totalmente simétrico do ânion tetrafluoroborato de forma quantitativa utilizando o modelo de Schweizer e Chandler. A equação de Domanska fornece uma componente atrativa do desvio de frequência com o melhor ajuste linear, como prediz o modelo de Schweizer e Chandler. Além disso, os dados de desvio de frequência dos três sistemas formam uma curva única quando plotados em função da densidade reduzida dos líquidos, e o ajuste geral ao modelo teórico é o melhor dentre todas as equações de estado testadas. Simulações por Dinâmica Molecular ab initio do líquido iônico tetrafluoroborato de 1-butil-3-metilimidazólio sob pressão mostraram que esta metodologia consegue reproduzir quantitativamente o desvio de frequência experimental, mas os espectros vibracionais Raman apresentam uma banda muito ativa que não é observada experimentalmente. / The aim of this thesis is the quantitative treatment of the vibrational frequency shifts of ionic liquids under pressure. The study of the ionic liquids 1-butyl-3-methylimidazolium, 1-hexyl-3- methylimidazolium and 1-octyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate under high pressure were made under a simultaneous approach of simulation, spectroscopy and liquid theories. The equations of state of such systems are obtained with data in the MPa range and are necessary in the analysis of spectroscopic data obtained in the GPa range. It becomes necessary to obtain the density data in a larger pressure range, and to develop a methodology that selects through equations of state proposed in literature that extrapolate very differently in the GPa range. Two proposals to validate such equations of state, and obtain high pressure density data, are made. The first one consists in comparing the extrapolations with classic Molecular Dynamics results. This becomes a problem because the force field is not parametrized for this region. However, a good agreement between the simulation curve and the equation of Domanska are obtained which implicates that this equation could be considered better to describe this system under pressure. This finding is in agreement with the second strategy, in which the different equations of state are used to analyze quantitatively the frequency shift data of the totally symmetric stretching mode of the tetrafluoroborate anion using the Schweizer and Chandler model. The equation of Domanska provides a better linear fit of the attractive frequency shift component, as predicted by the model of Schweizer and Chandler. Moreover, the frequency shift data for the three systems colapse in a master curve when they are plotted versus the reduced density, and the overall fit to the model is the best through all equations of state tested. Ab initio molecular dynamics simulations of the 1- butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate under pressure were made and show that this methodology is accurate to describe quantitatively describe the experimental frequency shift, but the Raman spectrum presents an intense band which is not observed experimentally.

Esta tese tem como objetivo o tratamento quantitativo do desvio de frequência vibracional em líquidos iônicos sob pressão. O estudo dos líquidos iônicos tetrafluoroborato de 1-butil-3- metilimidazólio, 1-hexil-3-metilimidazólio e 1-octil-3-metilimidazólio em alta pressão foram feitos a partir de uma abordagem conjunta entre simulação, espectroscopia e teoria de líquidos. As equações de estado desses sistemas obtidas a partir de dados na faixa de MPa são necessárias na análise de dados espectroscópicos obtidos na região de GPa. Torna-se necessário obter então os dados de densidade desses sistemas para a região de pressão maiores, e uma metodologia para selecionar entre diferentes equações de estado propostas na literatura que extrapolam de forma muito diversa na região de GPa. Duas propostas para validar tais Equações de Estado, e obter os dados de densidade em alta pressão são propostas. A primeira trata de comparar as extrapolações com os dados de Dinâmica Molecular clássica. Isso gera um problema em si pois o próprio campo de força usado nas simulações não foi parametrizado para a região de GPa. No entanto, uma boa concordância da forma da curva obtida via simulação e uma das equações de estado indica que o modelo de Domanska poderia ser considerado superior aos demais. Tal fato é comprovado pela segunda estratégia, em que as diferentes equações de estado são utilizadas para analisar os dados de desvio de frequência do modo de estiramento totalmente simétrico do ânion tetrafluoroborato de forma quantitativa utilizando o modelo de Schweizer e Chandler. A equação de Domanska fornece uma componente atrativa do desvio de frequência com o melhor ajuste linear, como prediz o modelo de Schweizer e Chandler. Além disso, os dados de desvio de frequência dos três sistemas formam uma curva única quando plotados em função da densidade reduzida dos líquidos, e o ajuste geral ao modelo teórico é o melhor dentre todas as equações de estado testadas. Simulações por Dinâmica Molecular ab initio do líquido iônico tetrafluoroborato de 1-butil-3-metilimidazólio sob pressão mostraram que esta metodologia consegue reproduzir quantitativamente o desvio de frequência experimental, mas os espectros vibracionais Raman apresentam uma banda muito ativa que não é observada experimentalmente. / The aim of this thesis is the quantitative treatment of the vibrational frequency shifts of ionic liquids under pressure. The study of the ionic liquids 1-butyl-3-methylimidazolium, 1-hexyl-3- methylimidazolium and 1-octyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate under high pressure were made under a simultaneous approach of simulation, spectroscopy and liquid theories. The equations of state of such systems are obtained with data in the MPa range and are necessary in the analysis of spectroscopic data obtained in the GPa range. It becomes necessary to obtain the density data in a larger pressure range, and to develop a methodology that selects through equations of state proposed in literature that extrapolate very differently in the GPa range. Two proposals to validate such equations of state, and obtain high pressure density data, are made. The first one consists in comparing the extrapolations with classic Molecular Dynamics results. This becomes a problem because the force field is not parametrized for this region. However, a good agreement between the simulation curve and the equation of Domanska are obtained which implicates that this equation could be considered better to describe this system under pressure. This finding is in agreement with the second strategy, in which the different equations of state are used to analyze quantitatively the frequency shift data of the totally symmetric stretching mode of the tetrafluoroborate anion using the Schweizer and Chandler model. The equation of Domanska provides a better linear fit of the attractive frequency shift component, as predicted by the model of Schweizer and Chandler. Moreover, the frequency shift data for the three systems colapse in a master curve when they are plotted versus the reduced density, and the overall fit to the model is the best through all equations of state tested. Ab initio molecular dynamics simulations of the 1- butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate under pressure were made and show that this methodology is accurate to describe quantitatively describe the experimental frequency shift, but the Raman spectrum presents an intense band which is not observed experimentally.

Orientador: Alex Antonelli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-29T05:01:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CajahuaringaMacollunco_OscarSamuel_D.pdf: 15985103 bytes, checksum: f54d17d6335170c62196c9e329f257d9 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Apesar de serem substâncias muito diferentes, silício e gálio, na fase líquida, compartilham muitas anomalias nas suas propriedades termodinâmicas. Evidências teóricas e experimentais sugerem que esses líquidos podem sofrer a chamada transição de fase líquido-líquido (LLPT). Especula-se que este tipo de transição é acompanhada por uma transição dinâmica entre um líquido frágil e um líquido forte, com base nas hipóteses de que o surgimento de um "dip" na função auto-intermediária de espalhamento logo após o regime balístico e o aparecimento do excesso de modos vibracionais em baixas frequências após a LLPT estariam relacionados com o comportamento de líquidos fortes. Foi realizado um estudo da dinâmica desses sistemas através das funções de correlação nas vizinhanças da LLPT usando simulações clássicas. Observamos apenas no caso do silício o aparecimento do "dip" na função auto-intermediária de espalhamento. A densidade de estados vibracionais reduzida de ambos os líquidos apresenta picos em baixas frequências, sugerindo que ambos os líquidos seriam fortes. Desta forma, nos dois casos estudados, as duas hipóteses não são conclusivas. Visando um melhor entendimento, determinamos a viscosidade de cisalhamento de ambos os líquidos em um amplo intervalo de temperatura. A apresentação desses resultados no chamado gráfico de Angell, indica que, em ambos os casos, a LLPT é acompanhada de uma transição de um líquido frágil para um líquido menos frágil, o que não dá suporte às especulações de uma transição frágil-forte. Além de investigar a LLPT em gálio "bulk", foi também estudado o gálio líquido confinado em nanofendas, ou seja, um sistema quase-bidimensional. Foi observada a transição de fase de primeira ordem entre um líquido isotrópico e um líquido ordenado. Por meio de uma série de análises estruturais, tanto de ordem translacional quanto orientacional, conseguimos identificar o líquido ordenado como a fase hexática, que é prevista ocorrer em sistemas bidimensionais segundo a teoria de Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (KTHNY). Como a LLPT em gálio bulk foi identificada em simulações de dinâmica clássica, realizamos um estudo visando obter evidência da LLPT em simulações de primeiros princípios, que são em princípio mais realísticas. Utilizando o chamado método-Z, que permite estimar a temperatura de fusão, determinamos que o regime super-resfriado do gálio líquido descrito por cálculos de primeiros princípios ocorre em temperaturas abaixo de 400 K. Partindo de um líquido em equilíbrio em 500 K, realizamos simulações a pressão constante igual a zero em que o líquido foi resfriado para 260 K em um intervalo de 145 ps. Não foi observada uma mudança abrupta no volume durante o resfriamento. A fim de melhorar a amostragem em nossas simulações de primeiros princípios, realizamos um estudo de dinâmica molecular a volume constante com troca de réplicas. Foram usadas um total de 10 réplicas entre 400 K e 260 K, em simulações com a duração de 100 ps. Neste caso, a pressão decresceu monotonicamente com a temperatura, o que é característico de líquidos simples que não sofrem LLPT. Cabe ressaltar que nas simulações clássicas que identificaram a LLPT em gálio, a taxa de resfriamento foi muito mais lenta, da ordem de nano-segundos, que seria inexequível para simulações de primeiros princípios / Abstract: Despite of being very different substances, silicon and gallium, in their liquid phase, share several anomalous thermodynamic properties. Theoretical and experimental evidence suggest that these liquids can undergo the so-called liquid-liquid phase transition (LLPT). There has been speculated that this transition is accompanied by a dynamic transition form a fragile liquid to a strong liquid, based on the hypothesis that the development of a dip in the self-intermediate scattering function, just after the ballistic regime, and the appearance of excess low frequency vibrational modes just after the LLPT would be related to the behavior of strong liquids. It was performed a study of the dynamics of these systems through the correlation functions in the vicinity of the LLPT using classical simulations. We observed the development of a dip in the self-intermediate scattering function only in the case o silicon. The reduced density of vibrational states of both liquids exhibits peaks in low frequencies, suggesting both liquids to be strong. Therefore, for the two cases we studied, the two hypotheses are not conclusive. In order to achieve a better understanding, we determined the shear viscosity of both liquids for a wide range of temperatures. By plotting the data in the so-called Angell plot one can see that, in both cases, the LLPT is accompanied by a transition of a fragile liquid to a less fragile liquid, which does not give support to the speculations of a fragile-to-strong transition. Aside from investigating the LLPT in bulk gallium, it was also studied liquid gallium confined in nanoslits. i.e., a quasi two-dimensional system. It was observed a first-order transition between an isotropic liquid and an ordered liquid. Through a series of structural analyses, both translational and orientational, we were able to identify the ordered liquid as the hexatic phase, which is predict to occur in two-dimensional systems according to the Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (KTHNY) theory. Since the LLPT in gallium has been found in classical molecular dynamics simulations, we performed a study aimed to obtain evidence of the LLPT in first-principles simulations, which are, in principle, more realistic. Using the so-called Z-method, which allows one to estimate the melting temperature, we determined the supercooled regime of liquid gallium, described by first-principles, to occur below 400 K. Starting from an equilibrated liquid at 500 K, we performed simulations at zero pressure in which the liquid was cooled down to 260 K in an interval of 145 ps. No abrupt change in the volume was observed as the liquid was cooled. In order to improve sampling in our first-principles simulations, we performed a study using constant volume molecular dynamics with replica exchange. Ten replicas were used between 400 K and 260 K, in simulations 100 ps long. In this case, pressure decreased monotonically with temperature, which is the behavior of simple liquids, which do not exhibit the LLPT. It should be emphasized that in the classical simulations that identified the LLPT in gallium, the cooling rates were much slower, of the order of nanoseconds, which would be unfeasible for first-principles simulations / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 1000949 / CAPES