Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-07-27T12:44:06Z No. of bitstreams: 1 2017_ThiagoFerreiradaCunha.pdf: 3169840 bytes, checksum: 21907d617b5dc5c827fea091fe61b6c1 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-09-04T22:37:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_ThiagoFerreiradaCunha.pdf: 3169840 bytes, checksum: 21907d617b5dc5c827fea091fe61b6c1 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-04T22:37:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_ThiagoFerreiradaCunha.pdf: 3169840 bytes, checksum: 21907d617b5dc5c827fea091fe61b6c1 (MD5) Previous issue date: 2017-09-04 / A reação H+Li2 desempenha um papel muito importante na investigação de fenômenos de quimissorção em metais e aglomerados mistos de metais com outros elementos. Este fato tem despertado um grande interesse da comunidade científica em conhecer com detalhes a reação H+Li2 e suas variantes isotópicas. Na primeira parte desta tese é apresentado um estudo detalhado sobre os efeitos quânticos e isotópicos na reação H+Li2→LiH+Li, quando o hidrogênio é substituído por muônio, deutério e trítio. Para verificar esses efeitos, foi aplicado uma acurada aproximação de espalhamento independente do tempo para determinar as propriedades dinâmicas, tais como probabilidades de estado a estado em função da energia do átomo reagente, distribuição energética do produto e a contribuição da excitação ro-vibracional sobre as probabilidades da reação. A partir dos resultados obtidos, foi possível observar um aumento significativo na promoção da reação H+Li2 quando o hidrogênio é substituído pelo trítio. Este fato mostra a importância da substituição isotópica na formação e quebra das ligações químicas nos sistemas reativos. A segunda parte desta tese está relacionada } à análise da função de partição de três metalocenos do grupo metálico: ferroceno, rutenoceno e osmoceno. Apesar de ser pouco utilizados industrialmente, os derivados de tais metalocenos são bons catalisadores e apresentam interessantes propriedades na área farmacêutica. Utiliza-se os métodos variacional e de Chebyshev de propagação do tempo imaginário para determinar as funções de partição rotacional impedida destes complexos. A transição de um regime semi-rígido de um rotor impedido para o regime livre de um rotor livre é demonstrado. Por fim, mostra-se a contribuição do tratamento da rotação impedida no cálculo da função de partição, possibilitando aos estudos futuros determinar propriedades dinâmicas e reativas (taxa de reação e seção de choque, por exemplo), além de determinar melhor descrição da termodinâmica dos metalocenos. / The H+Li2 reaction plays a very important role in the investigation of phenomena of chemisorption in metals and mixed clusters of metals with other elements. This fact has aroused a great interest of the scientific community to know in detail the reaction H+Li2 and its isotopic variants. The first part of this thesis presents a detailed study on the quantum isotope effects at the H+Li2→LiH+Li reaction, when the hydrogen is replaced by muon, deuterium and tritium. To verify these effects, an accurate time-independent scattering approach was applied to determine the dynamic properties, such as state-to-state probabilities as a function of the reactant atom energy, the product energetic distribution, and the contribution of the ro-vibrational excitation on the reaction probabilities. From the obtained results, it was possible to observe a significant increase on the promotion of the H+Li2 reaction when the hydrogen is replaced by the tritium. This fact shows the importance of the isotopic substitution to the making and breaking of the chemical bonds on the reactive systems. The second part of this thesis is related to the analysis of the partition function of three metallocenes of the metal group: ferrocene, ruthenocene and osmocene. Despite little used industrially, the derivatives from these metallocenes are good catalysts and present interesting properties in the pharmaceutical field. Both a variational and Chebyshev imaginary time propagation methods were used to determine the hindered rotational partition functions of these complexes. The transition from a semi-rigid scheme through a hindered rotor to free scheme through a free rotor is demonstrated. Finally, shown the contribution of the hindered rotation treatment on the partition function calculation, making it possible to the future studies to determine dynamic and reactive properties (like reaction rate and cross section), also to determine a better description of the thermodynamics metallocenes.

Utilizando a Teoria do Funcional da Densidade junto com o formalismo do pseudopotencial de primeiros princípios, realizamos um estudo sistemático do processo de adsorção da molécula de oxigênio sobre a superfície livre de CdTe (110) nas reconstruções 1x1, 1x2 e 2x1. Este estudo consistiu na determinação das adsorções energeticamente favoráveis e na viabilidade de suas formações através da análise das barreiras de ativação. Nossas análises indicam que apenas uma molécula de oxigênio adsorve sobre a superfície livre em uma reconstrução 1x1 e que não ocorre a quebra da molécula durante o processo de adsorção. As estruturas formadas foram divididas nos regimes de baixas e altas temperaturas. Do estudo das barreiras de ativação verificamos que no regime de baixas temperaturas a molécula de oxigênio liga-se exclusivamente ao Cd da primeira camada através de ligações Cd-O-O ou Cd-O2. A configuração da superfície de CdTe com a molécula adsorvida, se assemelha a configuração do cristal. As estruturas de faixas de energia neste regime apresentam um estado característico de defeito duplo aceitador. Para o regime de altas temperaturas, a molécula adsorve entre o Cd da primeira camada e o Te da segunda camada, quebrando esta ligação Cd-Te e também quebrando a ligação que o Cd da segunda camada realiza com o Te da terceira camada. O complexo formado apresenta ligações Cd-O, Cd-O2, Te-O e O-O e as estruturas de faixas de energia apresentam um gap indireto entre os pontos gama e X de 1.30 eV. / Density Functional Theory with first-principles pseudopotential formalism have been used to a systematic research of the oxygen molecule adsorption on the free surface of CdTe(110) in the 1x1, 1x2 and 2x1 reconstructions. This research was based on the determination of the adsorptions energetically favorables and the viability of each formation through their activation barriers analysis. This analysis indicates that only one oxygen molecule adsorbs over the free surface of the CdTe(110) in the 1x1 reconstruction and that the dissociation of the molecule does not occur during the adsorption process. The structures were divided on the high and low temperature regimes. From the activation barriers study it was verified that on the regime of low temperatures the oxygen molecule bind exclusively to the Cd of the first layer through the Cd-O-O or Cd-O$_2$ bonds. The CdTe surface configuration with the adsorbed molecule looks like a crystal configuration. The energy band structure, on this regime, shows a characteristic state of double acceptor defect. For the high temperature regime the molecule adsorbs between the Cd of the first layer and the Te of second layer, breaking the Cd-Te bond between them and also breaking the bonds that the Cd of the second layer does with the third layer. The complex shows Cd-O, Cd-O2, Te-O and O-O bonds and the energy band structure shows an indirect gap between the gamma and X points of 1.30eV.

O diamante, juntamente com o germânio e o silício, é um importante material para área de tecnologia de semicondutores e sua superfície C(100) é considerada a de maior interesse devido às várias possibilidades de aplicações tecnológicas. Neste trabalho, seguindo uma linha similar de estudos teóricos envolvendo clusters de silício, já estudados em nosso grupo, e utilizando o estado da arte em termos de cálculos de estrutura eletrônica, realizou-se uma investigação detalhada englobando aspectos estruturais e energéticos do aglomerado C9H12 nos estados singleto e tripleto, bem como as novas características dos mesmos frente à incorporação de átomos de oxigênio e enxofre. Para o sistema limpo, C9H12 , foi dado grande enfoque à ligação dímera bem como ao processo de reconstrução que a envolve. Esta forma limpa, preferencialmente, sofre reconstrução adquirindo característica de uma dupla ligação C=C. Para os sistemas C9H12 + O e C9H12 + S foram estudados duas estruturas principais, a bridge e a top, também enfocando seus aspectos estruturais e energéticos e em cada estado de spin abordado. Para a estrutura mais estável dos sistemas, bridge-singleto, foi explorada a energia de quimissorção envolvida no processo, bem como as restrições necessárias para descrevê-la corretamente. Concluiu-se que o átomo de oxigênio interage de maneira mais efetiva com a superfície exigindo uma energia maior para se dissociar. Para a forma oxigenada, os cálculos CASSCF e MRCI forneceram um valor de 140,67 kcal.mol-1 e 150,78 kcal.mol-1, respectivamente; para a estrutura contendo enxofre, estes resultados foram de 102,45 e 112,49 kcal.mol-1, respectivamente / Diamond, like germanium and silicon, is an important material in the semiconductor area, and its C (100) surface is considered the most interesting, due to the various possibilities of technological applications. In this work, following a similar line of theoretical studies involving silicon clusters, also studied in our group, and using a high level of electronic structure calculations, we carried out a detailed investigation on structural and energetic aspects of the C9H12 cluster both in singlet and triplet states, as well as, their new characteristics arising from incorporation of oxygen and sulfur atoms. For the clean system, C9H12, a great emphasis was given to the dimer bond, as well as its reconstruction process. This clean structure undergoes reconstruction acquiring a double bond C = C character. For the systems C9H12 + O and C9H12 + S, we studied two main structures, bridge and top, also focusing on their structures and energetic, for each spin state. For the most stable structure described, bridge-singlet, we also estimated the energy involved in the chemisorption process and the restrictions necessary to carry out the calculations. We found out that the oxygen atom interacts more effectively with the surface requiring a greater energy to dissociate. For the oxygenated form, the CASSCF and MRCI calculations have provided values of 140.67 kcal.mol-1 and 150.78 kcal.mol-1, respectively; for the structure containing sulfur, these results are 102.45 kcal.mol-1 and 112.49 kcal.mol-1, respectively

O diamante, juntamente com o germânio e o silício, é um importante material para área de tecnologia de semicondutores e sua superfície C(100) é considerada a de maior interesse devido às várias possibilidades de aplicações tecnológicas. Neste trabalho, seguindo uma linha similar de estudos teóricos envolvendo clusters de silício, já estudados em nosso grupo, e utilizando o estado da arte em termos de cálculos de estrutura eletrônica, realizou-se uma investigação detalhada englobando aspectos estruturais e energéticos do aglomerado C9H12 nos estados singleto e tripleto, bem como as novas características dos mesmos frente à incorporação de átomos de oxigênio e enxofre. Para o sistema limpo, C9H12 , foi dado grande enfoque à ligação dímera bem como ao processo de reconstrução que a envolve. Esta forma limpa, preferencialmente, sofre reconstrução adquirindo característica de uma dupla ligação C=C. Para os sistemas C9H12 + O e C9H12 + S foram estudados duas estruturas principais, a bridge e a top, também enfocando seus aspectos estruturais e energéticos e em cada estado de spin abordado. Para a estrutura mais estável dos sistemas, bridge-singleto, foi explorada a energia de quimissorção envolvida no processo, bem como as restrições necessárias para descrevê-la corretamente. Concluiu-se que o átomo de oxigênio interage de maneira mais efetiva com a superfície exigindo uma energia maior para se dissociar. Para a forma oxigenada, os cálculos CASSCF e MRCI forneceram um valor de 140,67 kcal.mol-1 e 150,78 kcal.mol-1, respectivamente; para a estrutura contendo enxofre, estes resultados foram de 102,45 e 112,49 kcal.mol-1, respectivamente / Diamond, like germanium and silicon, is an important material in the semiconductor area, and its C (100) surface is considered the most interesting, due to the various possibilities of technological applications. In this work, following a similar line of theoretical studies involving silicon clusters, also studied in our group, and using a high level of electronic structure calculations, we carried out a detailed investigation on structural and energetic aspects of the C9H12 cluster both in singlet and triplet states, as well as, their new characteristics arising from incorporation of oxygen and sulfur atoms. For the clean system, C9H12, a great emphasis was given to the dimer bond, as well as its reconstruction process. This clean structure undergoes reconstruction acquiring a double bond C = C character. For the systems C9H12 + O and C9H12 + S, we studied two main structures, bridge and top, also focusing on their structures and energetic, for each spin state. For the most stable structure described, bridge-singlet, we also estimated the energy involved in the chemisorption process and the restrictions necessary to carry out the calculations. We found out that the oxygen atom interacts more effectively with the surface requiring a greater energy to dissociate. For the oxygenated form, the CASSCF and MRCI calculations have provided values of 140.67 kcal.mol-1 and 150.78 kcal.mol-1, respectively; for the structure containing sulfur, these results are 102.45 kcal.mol-1 and 112.49 kcal.mol-1, respectively

Utilizando a Teoria do Funcional da Densidade junto com o formalismo do pseudopotencial de primeiros princípios, realizamos um estudo sistemático do processo de adsorção da molécula de oxigênio sobre a superfície livre de CdTe (110) nas reconstruções 1x1, 1x2 e 2x1. Este estudo consistiu na determinação das adsorções energeticamente favoráveis e na viabilidade de suas formações através da análise das barreiras de ativação. Nossas análises indicam que apenas uma molécula de oxigênio adsorve sobre a superfície livre em uma reconstrução 1x1 e que não ocorre a quebra da molécula durante o processo de adsorção. As estruturas formadas foram divididas nos regimes de baixas e altas temperaturas. Do estudo das barreiras de ativação verificamos que no regime de baixas temperaturas a molécula de oxigênio liga-se exclusivamente ao Cd da primeira camada através de ligações Cd-O-O ou Cd-O2. A configuração da superfície de CdTe com a molécula adsorvida, se assemelha a configuração do cristal. As estruturas de faixas de energia neste regime apresentam um estado característico de defeito duplo aceitador. Para o regime de altas temperaturas, a molécula adsorve entre o Cd da primeira camada e o Te da segunda camada, quebrando esta ligação Cd-Te e também quebrando a ligação que o Cd da segunda camada realiza com o Te da terceira camada. O complexo formado apresenta ligações Cd-O, Cd-O2, Te-O e O-O e as estruturas de faixas de energia apresentam um gap indireto entre os pontos gama e X de 1.30 eV. / Density Functional Theory with first-principles pseudopotential formalism have been used to a systematic research of the oxygen molecule adsorption on the free surface of CdTe(110) in the 1x1, 1x2 and 2x1 reconstructions. This research was based on the determination of the adsorptions energetically favorables and the viability of each formation through their activation barriers analysis. This analysis indicates that only one oxygen molecule adsorbs over the free surface of the CdTe(110) in the 1x1 reconstruction and that the dissociation of the molecule does not occur during the adsorption process. The structures were divided on the high and low temperature regimes. From the activation barriers study it was verified that on the regime of low temperatures the oxygen molecule bind exclusively to the Cd of the first layer through the Cd-O-O or Cd-O$_2$ bonds. The CdTe surface configuration with the adsorbed molecule looks like a crystal configuration. The energy band structure, on this regime, shows a characteristic state of double acceptor defect. For the high temperature regime the molecule adsorbs between the Cd of the first layer and the Te of second layer, breaking the Cd-Te bond between them and also breaking the bonds that the Cd of the second layer does with the third layer. The complex shows Cd-O, Cd-O2, Te-O and O-O bonds and the energy band structure shows an indirect gap between the gamma and X points of 1.30eV.

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.