Ce manuscrit se concentre sur l'analyse du GISAXS d'îlots sur un substrat. Les données GISAXS doivent être analysées de façon quantitative afin d'obtenir des paramètres morphologiques précis (courbes de croissance, forme d'équilibre de l'îlot et énergie interfaciale) pour le processus d'élaboration. L'accent est mis sur le facteur de forme de l'îlot, c'est-à-dire la transformée de Fourier de la forme de l'îlot. On montre que la forme de l'îlot et la taille peuvent être obtenues à partir de la symétrie de l'îlot, la présence de facettes de l''îlot, le comportement asymptotique loin dans l'espace réciproque pour une grande polydispersité et les zéros ou les minima de l'intensité pour une faible polydispersité. Une comparaison approfondie entre l'approximation de Born et l'approximation plus précise de l'onde distordue (DWBA) met en évidence la spécificité apportée par la géométrie en incidence rasante. L'analyse quantitative est illustrée pour des images GISAXS acquises in situ pendant l'épitaxie par jet moléculaire de nano-îlots Ag ou Pd sur MgO(001) pour différentes épaisseurs et températures. Les paramètres morphologiques obtenus sont en très bon accord avec des résultats de microscopie électronique à transmission. Finalement, la diffusion incohérente a été mise en évidence en GISAXS et a pour origine des corrélations entre les îlots.

Submitted by isabela.moljf@hotmail.com (isabela.moljf@hotmail.com) on 2016-08-08T16:59:46Z No. of bitstreams: 1 raphaeldasilvaalvim.pdf: 4975859 bytes, checksum: 45288f5cf716f2e219a7c41484f3c591 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-08-09T11:55:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 raphaeldasilvaalvim.pdf: 4975859 bytes, checksum: 45288f5cf716f2e219a7c41484f3c591 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-09T11:55:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 raphaeldasilvaalvim.pdf: 4975859 bytes, checksum: 45288f5cf716f2e219a7c41484f3c591 (MD5) Previous issue date: 2013-02-22 / O agente VX, O-etil metillfosfonotioato de S-2-(diisopropilamino)etila, é um dos principais agentes neurotóxicos e a busca por formas de degrada-lo é consideravelmente importante. Neste trabalho, a hidrólise de um composto organofosforado tipo-VX (metilfosfonotioato de O,S-dimetila, DMPT) pela quimissorção dissociativa na superfície de MgO(001) foi estudada pela teoria do funcional da densidade com condições de contorno periódicas. Um mecanismo de degradação que envolve as reações das moléculas de DMPT e de água foi proposto e investigado em dois tipos de modelos de superfície de MgO(001): terraço e dopada com Al. Conformações, diferenças de energia livre, estados de transição e barreiras de reação foram calculados. Inicialmente, foi verificado que apenas a ligação neurotóxica P-S é quebrada na hidrólise do composto DMPT, que pode ocorrer espontaneamente em todo o intervalo de temperatura analisado (100-600 K). Na quimissorção dissociativa da molécula de DMPT, a formação do intermediário MgO:[PO(CH3)(OCH3)]+[SCH3]− é termodinamicamente menos estável que os produtos de hidrólise a partir da temperatura de aproximadamente 335 K para a superfície dopada com Al, que é muito menor que o mesmo processo calculado no terraço (a partir de 500 K). De acordo com a análise de barreira reacional, a possível reconstituição da ligação P-S não ocorre em ambos modelos de superfície de MgO(001) analisados. Contudo, a barreira de energia eletrônica para a reação de dissociação na superfície dopada com Al é cerca de 49,0 kJ/mol menor do que no terraço. Simultaneamente, o processo de formação dos íons H+ e OH- no terraço de MgO(001) é relevante como a etapa inicial de hidroxilação dessa superfície e faz parte do mecanismo de hidrólise catalisada do composto DMPT. A adsorção de uma, duas e três moléculas de água foram obtidas apenas sobre o terraço de MgO(001), pois sabe-se que as moléculas de água são dissociadas espontaneamente em defeitos pontuais. A variação da energia livre de Gibbs para os processos de adsorção e dissociação foi calculada no intervalo de temperatura de 100-600 K. Os resultados termodinâmicos mostraram que a adsorção de uma única molécula de água não conduz à dissociação. Para o dímero e trímero de moléculas de água, uma molécula se dissocia enquanto que as outras moléculas co-adsorvidas estabilizam as espécies iônicas H+ e OH- sobre a superfície. Nos dois casos, os produtos de dissociação na superfície convergiram para a formação de ligações de hidrogênio entre a hidroxila formada e as moléculas de água. Como consequência dessas interações, a superfície protonada coexiste com os íons hidroxila adsorvidos. As barreiras de energia eletrônica não são grandes o suficiente para desfavorecer a dissociação parcial de duas (23,2 kJ/mol) e três (24,9 kJ/mol) moléculas de água, porque elas seriam facilmente superadas. Portanto, a etapa inicial para a hidrólise no terraço de MgO(001) começa a partir de duas moléculas de água, mas o produto dissociado é mais estável quando existem três moléculas de água quimissorvidas. Em relação à migração dos íons H+ e OH- após a dissociação, as barreiras de energia eletrônica calculadas mostraram que esse processo na superfície de MgO(001) é desfavorável. Assim, os processos de dissociação das moléculas de DMPT e H2O na superfície de MgO(001) devem acontecer em regiões próximas para facilitar a etapa seguinte do mecanismo de reação proposto, que é a recombinação iônica de [PO(CH3)(OCH3)]+, [SCH3]-, HO- e H+ para a subsequente formação dos produtos P1 [HOPO(CH3)(OCH3)] e P2 [HSCH3]. Os produtos P1 e P2 não se acumulam sobre a superfície dopada com Al porque estas moléculas são dessorvidas. Portanto, se comparado com a reação de hidrólise do composto de DMPT, 335 K é uma temperatura ideal a fim de se evitar a acumulação dos produtos sobre os defeitos pontuais analisados, com a consequente dessorção espontânea de P1 e P2 e a reconstituição do MgO na etapa final do processo catalítico. No entanto, os sítios do terraço também podem participar do mecanismo de hidrólise catalisada do composto DMPT a partir de 500 K. Neste trabalho, a superfície de MgO(001) atua como um possível catalisador para a degradação do agente VX, mas com uma maior seletividade dos sítios dopados com Al do que os sítios do terraço. Da mesma forma, estes resultados têm uma variedade de importantes aplicações, bem como uma referência para posteriores estudos da reação do composto VX na superfície de MgO(001) com outros tipos de defeitos ou superfícies. Assim, esses resultados contribuem cientificamente para a área de catálise e superfícies de óxidos na desativação química de agentes neurotóxicos, especialmente os agentes tipo-V. Além disso, o presente trabalho permitirá o desenvolvimento de novas tecnologias para a defesa nacional, a fim de permitir a degradação química desses tipos de compostos sem afetar o meio ambiente. / The VX agent, O-ethyl S-(2-diisopropylethylamino)ethyl methylphosphonothioate, is one of the main neurotoxic agents, thus the search for ways to degrate it is considerably important. In this work, the hydrolysis of a VX-like organophosphorus compound (O,S-dimethyl methylphosphonothioate, DMPT) by the dissociative chemisorption on the MgO(001) surface was studied by density-functional theory using periodic boundary conditions. A degradation mechanism involving the reactions of the DMPT and water molecules was proposed and investigated on two types of MgO(001) surfaces: terrace and Al-doped. Conformations, free energy differences, transition states e reaction barriers were calculated. Firstly, it was verified that only the P-S neurotoxic bond breaks in the hydrolysis of the DMPT compound, which can occur spontaneously throughout the analyzed temperature range (100-600 K). In the dissociative chemisorption of the DMPT molecule, the formation of intermediate MgO:[PO(CH3) (OCH3)]+[SCH3]− is thermodynamically fewer stable than the hydrolysis products from the temperature of about 335 K for the Al-doped surface, which is less than the same process calculated on the surface without defects (from 500 K). According to a reactional barrier analysis, the possible reconstitution of the P-S bond does not occur on both cases of analyzed MgO(001) surface models. However, the electronic energy barrier for the dissociation reaction on the Al-doped sites is about 49.0 kJ/mol less than the one on the terrace. At the same time, the process of the formation of H+ and OH− ions on the MgO(001) terrace is relevant as the hydroxylation initial step of this surface and it is part of the catalyzed hydrolysis mechanism of the DMPT compound. The adsorption of one, two and three water molecules were only obtained on the MgO(001) terrace because it is known that water molecules are dissociated spontaneously on point defects. The variation of the Gibbs free energy for the adsorption and dissociation processes was calculated in the 100-600 K temperature range. The thermodinamic results showed that the adsorption of a single water molecule does not lead to dissociation. For the dimer and trimer of water molecules, one molecule dissociates while the others co-adsorbed stabilize the H+ and HO− ionic species on the surface. In the two cases, the dissociation products on the surface converged for the formation of hydrogen bonds among the formed hydroxyl and water molecules. As a consequence of these interactions, the protonated surface coexists with the adsorbed hydroxyl ions. The electronic energy barriers are not large enough to forbid the partial dissociation of two (23.2 kJ/mol) and three (24.9 kJ/mol) water molecules because they would be easily surmounted. Therefore, the initial step for the hydrolysis on the MgO terrace starts from two water molecules, but the dissociated product is more stable when there are three water molecules III chemisorbed. Regarding the migration of the H+ and HO− ions after the dissociation, the calculated electronic energy barriers showed that this process on the MgO(001) surface is unfavorable. Thus, the dissociation processes of the DMPT and H2O molecules on the MgO(001) surface should happen in close regions to facilitate the next step of the proposed reaction mechanism, which is the ionic recombination of [PO(CH3)(OCH3)]+, [SCH3]-, HO- and H+ for the subsequent formation of the P1 [HOPO(CH3)(OCH3)] and P2 [HSCH3] products. The products P1 and P2 did not accumulate on the Al-doped surface because these molecules are desorbed from 197 K. Therefore, if compared to the hydrolysis reaction, 335 K is an ideal temperature to avoid the accumulation of the products on the analyzed point defects, with the consequent spontaneous desorption of P1 and P2 and the MgO reconstitution in the final step of the catalytic process. However, the sites of the terrace can also participate of the DMPT catalyzed hydrolysis mechanism from 500 K. In this work, the MgO(001) surface works as a catalyst for the degradation of VX agent, but with higher selectivity of the Al-doped sites than that of the terrace sites. In the same way, these results have an important variety of applications, as well as reference for further studies of the VX compound reaction on the MgO(001) surface with other kinds of defects or other surfaces. Thus, these results scientifically contribute to the area of catalysis and oxide surfaces in the chemical deactivation of neurotoxic agents, especially the V-type agents. Furthermore, this work will enable the development of new technologies for national defense in order to enable the chemical degradation of these types of compounds without affecting the environment.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-05-05T17:36:02Z No. of bitstreams: 1 raphaeldasilvaalvin.pdf: 3200596 bytes, checksum: 01129a5b7d70b7b3e44dd871c5c77b1d (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-05-17T13:41:10Z (GMT) No. of bitstreams: 1 raphaeldasilvaalvin.pdf: 3200596 bytes, checksum: 01129a5b7d70b7b3e44dd871c5c77b1d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-17T13:41:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 raphaeldasilvaalvin.pdf: 3200596 bytes, checksum: 01129a5b7d70b7b3e44dd871c5c77b1d (MD5) Previous issue date: 2009-02-19 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os organofosforados encontram aplicações na indústria, nas áreas de corantes, vernizes, couro artificial, isolantes elétricos, impermeabilizantes, plásticos, aditivos de petróleo e dissolventes; também são usados na medicina no tratamento de doenças, como o glaucoma; no uso doméstico e na agricultura encontram aplicabilidade como inseticidas e pesticidas. Além dessas várias utilidades civis, os organofosforados são utilizados, também, como armas químicas de destruição em massa, e possuem estrutura similar àquelas dos compostos utilizados como inseticidas e pesticidas. No caso do VX, um organofosforado utilizado como arma química, a quebra da ligação P­S é essencial na sua degradação química. Embora muitas reações químicas possam ser empregadas para decompor agentes químicos de guerra, somente algumas podem ser utilizadas na prática em uma neutralização, porque estas reações precisam ser simples e os reagentes empregados devem ser estáveis, baratos e de baixa massa molecular. No entanto, muitas das reações que podem ser úteis para a neutralização do agente neurotóxico VX ainda seguem em discussão em recentes pesquisas, mas na maioria delas se limita alguns sucessos a hidrólise catalisada. Nesta dissertação foram estudados processos de hidrólise catalisada do agente VX por MgO(001) por meio de cálculos ab initio. Foi utilizado o programa PWscf ­ Plane­Waves Self Consistent Field. O PWscf utiliza a Teoria do Funcional da Densidade, a partir de um conjunto de base de autofunções dado por ondas planas e pseudopotenciais. Entre outros atributos, este código é capaz de calcular a energia do estado fundamental dos orbitais de Kohn­Sham para um elétron, além de forças atômicas em diferentes condições de tensão, otimização estrutural e estado de transição. A molécula de VX foi substituída por uma molécula menor, chamada de p­VX, em que foram substituídos alguns radicais do VX por grupos metila. Isto foi feito para diminuir o tamanho da molécula, que reduzirá o custo computacional, mas sem afetar substancialmente a química do problema, o estudo da quebra da ligação P­S. O mecanismo de hidrólise proposto esta relacionado com a quebra heterolítica da ligação P­S, com a conseqüente formação de íons intermediários R­P+ e R'­S­, estes, por sua vez, estabilizados por quimissorção na superfície de MgO(001). Em conjunto com essa reação, acontece a dissociação de moléculas de água para a formação dos íons H+ e HO­, cujos íons também são estabilizados na superfície de MgO(001). O passo final é a recombinação desses íons, para gerar os produtos de hidrólise R­POH e R'­SH, seguida pelo processo de dessorção destas moléculas da superfície do catalisador. Para a reação global de hidrólise da molécula de p­VX, a variação da energia interna foi calculada em ­5,66kcal/mol. Foram determinadas as estruturas dos íons R­P+ e R'­S­ estabilizados sobre a superfície de MgO(001), com uma energia de formação calculada em ­0,20kcal/mol, indicando que os intermediários teriam boa estabilidade sobre a superfície se comparados com a molécula de p­VX original. Na quimissorção dissociativa de moléculas de água sobre a superfície de MgO(001), verificou­se que os íons formados somente ficam estabilizados se estiverem a uma distância mínima de 4,70Å. Qualquer distância abaixo desta levará a formação da molécula de água novamente. No processo envolvendo duas moléculas de água, apenas uma delas se dissocia, enquanto a outra estabiliza os íons formados via ligação de hidrogênio. A molécula não dissociada também interage com um sítio superficial de magnésio. Este resultado foi comprovado pelos cálculos de diferença de densidade de carga eletrônica do sistema, determinação do caminho de reação, onde este obteve uma barreira energética calculada em 5,55kcal/mol para a reação direta e em 7,53kcal/mol para a reação inversa, e pela dissociação parcial utilizando um trímero de moléculas de água, com energia calculada em ­5,40kcal/mol. Os resultados permitem concluir que o mecanismo proposto para a hidrólise catalisada do agente neurotóxico VX pelo MgO é possível. Os modelos construídos podem ser modificados para testes de novos catalisadores com estrutura tipo MgO, via adição de defeitos ou dopantes à superfície da estrutura cristalina, visando a elaboração de catalisadores mais eficientes para a reação de hidrólise com o mesmo mecanismo. / The organophosphates are used in industry, in the fields of dyes, varnishes, artificial leather, electrical insulation, waterproofing, plastics, oil additives and solvents, are also used in medicine to treat diseases such as glaucoma, in the household and in agriculture are applied as insecticides and pesticides. Besides these various civilian facilities, the organophosphates are used as well as chemical weapons of mass destruction, and have similar structure to those of compounds used as insecticides and pesticides. In the case of VX, an organophosphate used as a chemical weapon, the fall in P­S binding is essential in its chemical degradation. Although many chemical reactions can be used to decompose the chemical agents of war, only some can be used in practice in a breakthrough, because these reactions need to be simple and the reagents used should be stable, inexpensive and low molecular weight. However, many of the reactions that may be useful for the neutralization of the neurotoxic VX agent still follow under discussion in recent polls, but most of them are confined to some successes catalyzed hydrolysis. In this dissertation we studied processes of the VX agent catalyzed hydrolysis by MgO (001) by means of ab initio calculations. We used the program PWscf ­ Plane Waves Self­Consistent Field. The PWscf using the Density Functional Theory from a set of basic autofunction given by plane waves and pseudopotentials. Among other attributes, this code is able to calculate the energy of the ground state of the Kohn­Sham orbital for an electron, and atomic force under different conditions of stress, structural optimization and transition state. The VX molecule was replaced by a smaller molecule, called a p­VX, which replaced some of the radicals VX for methyl groups. This was done to reduce the size of the molecule, which reduces the computational cost, but not substantially affect the chemistry of the problem, the study of breaking the link P­S. The proposed mechanism of hydrolysis is related to the breaking of the link heterolytic P­S, with the consequent formation of intermediate ion R­P+ and R'­S­, they, in turn, stabilized by quimissorption the MgO(0010 surface. Together with this reaction, is the dissociation of water molecules to the formation of ions H+ and HO­, whose ions are stabilized on the MgO(001) surface. The final step is the recombination of these ions, to generate products of hydrolysis and R­POH and R'­SH, followed by the process of desorption of molecules from the surface of the catalyst. For the overall reaction of hydrolysis of the molecule p­VX, the variation of internal energy was calculated to be ­5.66 kcal/mol. Were determined the structures of ion R­P+ and R'­S­ stabilized on the MgO(001) surface, with an formation energy calculated at ­0.20 kcal/mol, indicating that the middlemen have good stability on the surface is compared with the p­VX molecule original. In dissociative quimissorption of water molecules on the MgO(001) surface, it was found that the ions formed are stable only if a minimum distance of 4.70 Å. Any distance below this will lead to formation of the water molecule again. In the process involving two water molecules, only one is dissociated, while the other ions stabilizes by the hydrogen bonding formed. The non­dissociated molecule also interacts with a surface site of magnesium. This result was confirmed by the calculations of load density difference of the system, determining the reaction path, where he obtained a energy barrier calculated at 5.55 kcal/mol for the direct reaction and 7.53 kcal/mol for the reverse reaction and by partial decoupling using a trimer of water molecules, with energy calculated at ­5.40 kcal/mol. The results show that the proposed mechanism for the catalyzed hydrolysis of the neurotoxic agent VX by MgO is possible. The models constructed can be modified for testing of new catalysts with MgO type structure, via addition of doping or defects on the surface of the crystal structure, to the development of more efficient catalysts for the hydrolysis reaction with the same mechanism.