Computer simulations of nanostructured systems

Orientador: Douglas Soares GalvãoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb WataghinResumo: Simulações computacionais de sistemas atômico-moleculares despertam enorme interesse em grande parte por ajudar na interpretação de resultados obtidos experimentalmente, pois permitem o acesso de todos os estados estruturais, eletrônicos e dinâmicos, além de permitir estudo de sistemas modelo hipotéticos. É comum existirem dois extremos de complexidade quando se tenta resolver o problema de moléculas e sólidos. De um lado, pode-se optar por um tratamento puramente quântico, por outro, existe a possibilidade de buscar simplificar o problema através da incorporação dos efeitos eletrônicos por um campo de força e seguir com um tratamento clássico restrito às proximidades do equilíbrio. Na presente tese, serão empregadas técnicas abrangendo os dois casos supramencionados, com ênfase em simulações de primeiros princípios baseados em DFT (Density Functional Theory) e de campos de força clássicos com potencial reativo. O principal elemento de interesse é o carbono, que apresenta uma estrutura eletrônica que lhe confere bastante versatilidade para fazer ligações, através de hibridizações dos tipos sp, sp2 e sp3. Tais estados apresentam características eletrônicas peculiares e permitem a formação de uma grande quantidade de estruturas moleculares. Em busca de ajudar na compreensão de estruturas baseadas em cada um dos tipos de hibridização acima descritos, nesta tese são apresentados estudos que não só auxiliam a interpretação experimental, como também propõem estruturas hipotéticas, mas que apresentam viabilidade de síntese experimental. Dessa forma, a presente tese apresenta basicamente cinco trabalhos, a dizer: (i) formação do grafano através da incorporação de hidrogênio em folhas de grafeno (sp2 ?sp3); (ii) nanotubos de carbono de camadas simples (sp2), em busca de uma estrutura com seção reta transversal quadrada; (iii) criação de cadeias atômicas lineares através do estiramento de folhas de grafeno (sp2 ?sp); (iv) receptores moleculares, em que é analisada a dinâmica de incorporação de fulereno (C60) ao chamado buckycatcher (sp2); por fim, (v) simulações em moléculas funcionais conhecidas como nanocarros (sp2 e sp3)Abstract: Computer simulations for atomic and molecular systems play an important role in interpreting experimental results, because they can easily access simultaneously structural, electronic and dynamic states that are experimentally inaccessible. Additionally, simulations can be used to foresee the existence of hipothetic molecular structures. It is often usual to have to deal between two opposites on electronic strucutre approximations when dealing with molecular structures. In one hand, one can apply pure quantum methods, on the other hand on may adopt a more simplified problem by applying classical force fields when dealing with near-to-equilibrium systems. In the present thesis, most of the aforementioned range of simulation techniques will be covered, with emphasis on ab initio simulations based on the density functional theory (DFT) and classical reactive force fields. Carbon is the element that plays a central role in this work, mainly due to its versatile electronic structure which gives it the ability to perform several bond types based on sp, sp2 and sp3hybridization types. Such states present singular electronic features allowing the formation of a myriad of molecular systems. The present thesis presents several studies that have the privilege of being part of both as a helpful guidance on experimental interpretation and the suggestion of hypothetic carbon-based molecular structures. This way, the following research is presented: (i) graphane formation via hydrogen incoporation on graphene sheets (sp2 ?sp3); (ii) single wall carbon nanotubes (sp2) and its yet to be experimentally achieved square cross section representative; (iii) linear atomic chain formation obtained by graphene sheets stretching (sp2 ?sp); (iv) molecular receptors, where the dynamics of fullerene (C60) incoporation on the so-called buckycatcher is analysed (sp2); (v) simulation on functional molecules named nanocars (sp2 and sp3)DoutoradoFísicaDoutor em Ciência