Modelado y simulación computacional de nanopartículas metálicas y su interacción con moléculas orgánicas

• Autores: Martín Ludueña
• Directores de la Tesis: Marcelo M. Mariscal (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Nacional de Córdoba (UNC) ( Argentina ) en 2017
• Idioma: español
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: hdl.handle.net
• Resumen
  • español

    En el presente trabajo de Tesis doctoral se abordó el estudio de sistemas metálicos en la cala nanoscópica, y su interacción con moléculas orgánicas simples. El análisis de los mos se realizó en base a parámetros configuracionales y energéticos, observando su evolución temporal, desde una perspectiva teórica. Las metodologías de simulación empleadas fueron diversas, implernentadas a través de la utilización del lenguaje FORTRAN en códigos propios o de código libre. Investigamos el desempeño de varias técnicas de simulación, a saber, dinámica malecular, Mante Carlo canónico y multicanónico, para estudiar el comportamiento térmico y determinación de puntos de fusión de nanopartículas de Au, Co y de sus aleaciones. Se realizó un análisis comparativo de los mecanismos de fusión de estos sistemas. Así mismo, se presenta un estudio de modelado y simulación atomística analizando el efecto de las moléculas de ligando sobre la estructura cristalina de nanopartículas (NPs) de oro protegidas por monocapas de moléculas orgánicas. En particular, se centró en NPs de Au cubiertas con alcanotiolatos (SR), que forman un fuerte enlace covalente con la superficie de Au y las alquilaminas (NH2R), que se fisisorben sobre oro. Las interacciones a ómicas entre el oro y los grupos cabeza de las moléculas se representaron por medio de un potencial de interacción de muchos cuerpos recientemente desarrollado en el grupo de investigación. Encontramos que en el caso de los agentes pasivantes fuertes (es decir , SR) zeneran daños significativos en la superficie y/o estructura cristalina de la NP, mientras que las pasivantes débiles (NH2R) no producen casi ninguna distorsión en la estructura cri talina de las NPs metálicas. También hemos demostrado que el nuevo potencial puede reproducir sitios de adsorción de coordenadas bajas, a diferencia de los potenciales clásicos de a pares, ampliamente difundidos en la literatura. En general, nuestras simulaciones proporcionan una observación directa de la estructura de nanopartículas de oro protegidas po ligandos. Por último, se desarrolla una nueva aproximación del potencial de interacción, el cual mantiene las características esenciales del primer modelo, pero expande el rango de aplicabilidad al ensamble microcanónico y a algoritmos que usan la matriz hessiana, ya que el potencial resulta ser continuo y dos veces diferenciable.

  • English

    In this PhD thesis the study of metallic systems was approached on the nanoscopic scale, and its interaction with simple organic molecules. The analysis was made based on configurational and energetic parameters, observing its temporal evolution, from a theoretical perspective. The simulation methodologies used were diverse, implemented through the use of FORTRAN language in own codes or free source code. We investigated the performance of several simulation techniques, namely, Molecular Dynamics, Canonical Monte Carlo and Multicanonical, to study the thermal behavior and determination of melting points of gold, cobalt and their alloys. A comparative analysis of the fusion mechanisms is presented.

    Also, we present an atomistic simulation study analyzing the effect of ligand molecules on crystalline structure of monolayer protected gold nanoparticles (NPs). In particular, we focused on Au NPs covered with alkyl thiolates (SR), which form a strong covalent bond with the Au surface, and alkyl amines (NH2R), which physisorb onto gold. The atomic interactions between gold and the head groups of ligand molecules were represented by means of a recently developed bond-order potential. We found in the case of strong passivants (i.e. SR) significant surface damage and/or amorphous-like structures, whereas soft passivants (NH2R) do not produce almost any distortion in the crystalline structure of metallic NPs. We have also demonstrated that the new empirical potential can reproduce low-coordinated adsorption sites, unlike usual pairwise classical potentials. In general, our simulations provide a direct observation of the structure of ligand protected gold nanoparticles.

    Finally, a new potential approximation is developed, which maintains the essential features of the first model, but expands the range of applicability to microcanonical assembly and to algorithms that use the Hessian matrix, since the potential turns out to be continuous and twice differentiable.