Resumen de Simulación de las propiedades energéticas, termodinámicas y espectroscópicas de moléculas nanoconfinadas

Orlando Carrillo Bohórquez

• español

  El desarrollo de modelos y metodologías destinadas a entender las peculiaridades de ciertas estructuras moleculares confinantes, como clatratos, endofullerenos y nanogotas, tiene consecuencias directas en el campo de las ciencias moleculares. Estos sistemas constituyen 'nanolaboratorios' extraordinarios en los que las moléculas encapsuladas se comportan como rotores cuánticos, y en donde los niveles traslacionales y rotacionales se encuentran mezclados por el confinamiento, generando una rica estructura de niveles energéticos. Además, estos complejos han sido teorizados como materiales promisorios, con aplicaciones en el almacenamiento de energía, secuestro de gases de efecto invernadero, computación cuántica, etc. Sin embargo, el costo computacional prohibitivo que implican los cálculos teóricos ha derivado en simplificaciones de la dimensionalidad de los sistemas, o en el empleo de tratamientos clásicos que son incapaces de explotar la riqueza de los efectos cuánticos inherentes. En este trabajo se presenta la metodologı́a desarrollada en nuestro grupo para tratar moléculas triatómicas nanoconfinadas a través del método computacional Multi Configuration Time Dependent Hartree (MCTDH), con el fin de incluir cálculos de alta precisión de los niveles vibracionales y traslacionales de las moléculas enclaustradas. Se estudió la estructura de niveles energéticos de los fullerenos endohedrales H2O@C60 y H2O@C70 como casos particulares, y se exploraron dos modelos teóricos plausibles para explicar la ruptura de simetría observada en el primer sistema. Como una consecuencia directa de lo anterior, se realizó un estudio de estructura electrónica para el complejo H2O@C60, considerando la interacción de la molécula encapsulada con las estructuras de carbono básicas que constituyen al fullereno, con el objeto de obtener una descripción razonablemente precisa de la superficie de energía potencial (PES) intermolecular que incluya las interacciones entre muchos cuerpos a partir de técnicas DFT/DFT-D. Finalmente, se presenta un modelo termodinámico para el sistema H2O@C60, que reproduce algunas de las características inusuales que se observan en la concentración de isómeros de espín ortho y para del H2O a bajas temperaturas. (Texto tomado de la fuente)

• English

  The development of models and methodologies aiming to understand the features of certain confining molecular structures, as clathrates, fullerenes and nanodroplets, has direct consequences on the fields of the fundamental and applied physics, as such systems constitutes astonishing 'nanolaboratories', where encapsulated molecules behave as quantum rotors. The translational and rotational levels are mixed due to the confinement, giving rise to a rich energetic level structure. Also, these compounds has been proposed as promising materials with applications in energy storage, greenhouse gases capture, quantum computation, etc. Nonetheless, until recently the rather high computational cost of the quantum simulations has limited the theoretical efforts to reduced dimensional simplifications, or classical treatments, that were not able to explore properly the richness of the inherent quantum effects. In this work we present the methodology developed in our group to treat triatomic nanoconfined molecules through the Multi Configuration Time Dependent Hartree (MCTDH) framework. In this way, we performed "exact" full-dimensional quantum calculations, coupling all degrees of freedom, and accurate values on vibrational, rotational and translational states of the trapped molecule were reported. In particular, the energetics and levels structure of the H2O@C60 and H2O@C70 endohedral fullerenes were investigated, and two plausible theoretical physical models to explain the observed symmetry breaking in the former system were proposed and explored. As a direct consequence, a quantum chemistry electronic structure study of the H2O@C60 was performed. Given the size of the system, we first considered the encapsulated molecule’s interaction with the fundamental unit structures, such as C5 and C6 from the C60 cavity, with the purpose to assess the performance of different DFT/DFT-D approaches in describing the underlying many-body intermolecular potential energy surface (PES). Finally, a thermodynamic model for the H2O@C60 system was developed, which can reproduce some of the unusual features observed in the ortho and para H2O spin isomers' concentration at low temperatures.