A molécula de hidrazina (N2H4) se decompõe endotermicamente. Ela é geralmente utilizada como propelente em satélites ou na composição de bipropelentes em veículos espaciais. Nesse trabalho a decomposição da hidrazina foi estudada na presença dos átomos de nitrogênio e oxigênio. Para tal estudo foram utilizados métodos de química quântica para calcular as propriedades termoquímicas das reações elementares e métodos de cinética química para obtenção das constantes de velocidade dessas reações. Com o objetivo de verificar a metodologia com melhor razão entre o custo computacional e qualidade do resultado para o estudo das propriedades termoquímicas, foram utilizados métodos ab initio altamente correlacionados, e esses resultados foram comparados aos resultados obtidos com diferentes funcionais DFT de correlação e troca. Para obter as constantes de velocidade das reações, foram utilizados os métodos TST e CVT, e os efeitos não clássicos foram considerados pelas aproximações ZCT e SCT. Para o cálculo CVT, a superfície de potencial foi construída pela metodologia dual-level, utilizando um funcional DFT para obter as propriedades ao longo do caminho reacional, e esses resultados foram melhorados com resultados obtidos pelo método CCSD(T) nas geometrias de equilíbrio.

A cluster expansion method combined with Density Functional Theory is used to derive structural properties of quaternary AlGaInN and binary GeSn alloys. The energy gaps for both systems are calculated including quasiparticle effects within the framework of the computationally inexpensive and parameter free DFT-1/2 method. The model developed is able to treat the complexity of semiconductor alloys, which have important application in heterostructures, band gap engineering and lattice constant matching. The transition energy of the effective electronic bands is calculated including statistical disored and compared to spectroscopic measurements. The range of the tunable energy gap of cubic and hexagonal AlGaInN alloys lattice matched to GaN is calculated, together with the direct-indirect gap transition region in the cubic alloy. We also discuss trends for phase separation of GeSn alloys and do not observe any significant indication of decomposition in the binodal-spinodal composition range. It is shown that the oscillator strength of the optical transition in the alloy is considerably higher than that of pure Ge. Results are contextualized in light of applications of AlGaInN alloys for ultraviolet and GeSn alloys for mid-infrared photoemission. Differences and similarities between our model and other calculations in the existing literature are also elucidated.

Nesse trabalho os 20 aminoácidos foram classificados, a fim de investigar possíveis aplicações em dispositivos. Como critério de classificação foi utilizada uma propriedade molecular denominada softness químico. A classificação foi feita por uma rede neural artificial denominada Mapa Auto-Organizável. Esse estudo permitiu identificar similaridades entre diferentes grupos químicos presentes em aminoácidos. Os aminoácidos que apresentam grupos hidroxílicos (OH) foram classificados como similares aos aminoácidos alifáticos, que apresentam apenas carbono e hidrogênio em suas cadeias laterais. O aminoácido histidina, que apresenta uma estrutura cíclica do tipo imidazol (C3H4N2), foi classificado como similar aos aminoácidos aromáticos fenilalanina, triptofano e tirosina, que apresentam um anel do tipo fenil (C6H5) em suas estruturas. Por esse motivo foi investigada a relação entre softness e aromaticidade. Este conceito ainda não possui uma definição formal, pois ele se relaciona com diversas propriedades físicas e químicas, por esse fato não pode ser medido experimentalmente ou calculado teoricamente. Nesse trabalho mostra-se o softness como candidato para explicar este conceito, pois se relaciona com diferentes critérios de aromaticidade.

Neste projeto de pesquisa foram estudadas reações elementares envolvendo as moléculas metano (CH4) e metanol (CH3OH), na presença de aglomerados metálicos, do ponto de vista da química quântica. Foram exploradas as possíveis sequências de etapas elementares envolvidas na oxidação dessas moléculas, que podem ser empregadas como combustíveis. Aglomerados metálicos foram utilizados para simular o sítio ativo de um catalisador, podendo ser constituídos por duas partes: Um ou mais átomos de metais de transição representando a fase ativa do catalisador e um conjunto de moléculas formando o suporte. O principal objetivo deste trabalho é buscar uma diminuição da barreira de potencial nas etapas elementares da oxidação na presença do aglomerado em relação à reação livre, estudando as modificações na estrutura eletrônica do sistema quando isso ocorre, ou seja, estudando a interação eletrônica entre o aglomerado e as moléculas combustíveis. Para isso, foram utilizados métodos da química quântica na caracterização eletrônica e estrutural dos reagentes, produtos e dos estados de transição na superfície de potencial eletrônica das reações envolvidas em processos de combustão e decomposição. Utilizamos a teoria do funcional da densidade (DFT), com alguns conjuntos de funções de base adequados para os metais e para os elementos do grupo principal. Cálculos das coordenadas de reação intrínsecas (IRC) foram utilizados para conectar os reagentes aos produtos, passando pelos supostos estados de transição. Foram estudadas então, quais interações entre o aglomerado metálico e as moléculas combustíveis podem ser as principais responsáveis na diminuição da barreira de potencial nas etapas elementares da decomposição e oxidação.

A dissertação enfoca propriedades das excitações eletrônicas do grafeno, um material bidimensional singular constituído por uma única camada de átomos de carbono, em duas situações: (i) grafeno com deformação geometrica e, (ii) nanofitas com condições de borda e autoenergia dos elétrons. Começamos com uma revisão da formulação do conhecido modelo de tight-binding para os portadores de carga e a sua representação para baixas energias através da equação de Dirac. Introduzimos uma deformação geométrica unidimensional na superfície do grafeno e usando a equação de Dirac na superfície curva calculamos a condutividade óptica. Previmos uma magnificação na condutividade para frequências específicas, associadas à transições intrabandas, na presença de um potencial químico e periodicidade na deformação. Em seguida estudamos as excitações eletrônicas em nanofitas de grafeno. Começamos revisando o modelo de tight-binding para nanofitas tipo zigzag e armchair. Rederivamos a relação de dispersão nesse modelo e em particular as soluções de estados de borda nas nanofitas tipo zigzag. Revisamos as abordagens mais conhecidas via equação de Dirac para modelar os elétrons nas nanofitas de grafeno e mostramos a equivalÊncia entre os formalismos. A nossa contribuição neste tópico foi introduzir um termo de autoenergia na equação de Dirac no formalismo onde temos um potencial no contorno cuja componente matricial mapeia os diferentes tipos de estrutura cristalina da borda. Nessa situação derivamos uma nova equação transcedental de autovalores, cuja soluções são os momentos transversos quantizados, considerando o efeito de termos de autoenergia. A equaçao transcedental é resolvida numericamente para vários tipos de borda, incluindo zigzag e armchair, e para dois tipos particulares de autoenergias. Em particular, mostramos em detalhes a influência da autoenergia nas soluções localizadas na borda. Por fim, também apresentamos as densidades eletrônicas ilustrando as várias soluções obtidas numericamente.