Resumen de Quantum confinement of gaseous molecules in nanostructures: effects on the dynamics and internal structure
Los efectos de confinamiento cuántico, entendidos como los cambios en la estructura y la dinámica de una molécula al pasar de un entorno libre a una cavidad con alguna longitud característica del orden del nanómetro, representan un reto y una oportunidad. Un reto, porque todavía queda trabajo para poder comprenderlas y modelarlas correctamente. Una oportunidad, porque ofrecen los medios para ajustar propiedades moleculares como la adsorción, la difusión o incluso la reactividad.
La presente tesis doctoral se centra en el estudio teórico y computacional del sistema consistente en una sola molécula de H2 (o bien de D2) atrapada en la cavidad interna de un nanotubo de carbono estrechos de una sola pared. Desde que Dillon y coautores sugirieron la existencia de efectos de confinamiento cuántico como explicación la inesperadamente alta adsorción de H2 en nanotubos de carbono, este tema ha recibido mucha atención desde puntos de vista teóricos y experimentales. La intención 'de esta Tesis es obtener más información sobre este fenómeno mediante el desarrollo de nuevas herramientas de análisis para estados propios de alta dimensionalidad, y la mejora del modelo respecto a trabajos anteriores. Lo primero se ha logrado mediante el uso de funciones de solapamiento y solapamientos parcial, que han proporcionado una manera intuitiva de entender el acoplamiento entre los diferentes grados de libertad del sistema mediante la comparación con estados propios reales de un modelo separable. En cuanto a la mejora del modelo, hemos trabajado desde dos perspectivas: en primer lugar, hemos incluido nuevos grados de libertad moleculares al sistema, concretamente el movimiento del centro de masa de la molécula a lo largo del eje del nanotubo. Esto nos ha permitido obtener coeficientes de difusión para el H2 y el D2 dentro del nanotubo utilizando un formalismo totalmente mecánico-cuántico, cosa que no se había hecho anteriormente. El estudio de la dinámica de difusión también nos ha permitido definir una representación adiabática del Hamiltoniano del sistema, aprovechando la casi separabilidad entre la coordenada de difusión y el resto de grados de libertad, con el fin de aumentar la eficacia de las propagaciones con gran precisión. Como segunda mejora del modelo, hemos desarrollado un Hamiltoniano de acoplamiento sistema-baño para ver como los fonones de la nanoestructura afectan la dinámica de la molécula confinada. Hemos visto que ambos conjuntos de grados de libertad (moleculares y fonones) están fuertemente acoplados debido al intercambio de momento lineal entre ellos. Cálculos de Teoría de Perturbaciones Dependientes del Tiempo han determinado que el tiempo característico del intercambio de momento es más corto que el de la difusión, lo que sugiere que la fricción con el nanotubo puede tener un efecto relevante sobre las propiedades del transporte de la molécula confinada.
