Interações de complexos metálicos com nanotubos de carbono: um estudo teórico

In this work, quantum mechanical methods were applied to investigate the structural and nonlinear optical (NLO) properties of porphyrin (P) and tetraphenylporphyrin (TFP) molecules, as well as hybrid systems formed by different porphyrin derivatives (ZnP, H2P, ZnP-pp and H2P-pp) adsorbed on the surface of a single-walled carbon nanotube (SWNT) a(5,5). The molecular geometries were calculated using Density Functional Theory (DFT) and the first hyperpolarizability was calculated at the Hartree-Fock (HF) level. Firstly, the structural aspects of sixty four porphyrin and tetraphenylporphyrin molecules complexed with Zn (II) (ZnP and ZnTFP) or in the protonated form (H2P and H2TFP), modified by substituents bound directly to the macrociclotetrapirrólico ring were evaluated. The smallest distortions of the porphyrin and tetraphenylporphyrin ring were found when the bridge group was the ethynyl radical (et) conecting the electron donor and acceptor groups, NH2 and NO2, respectively. The average first hyperpolarizability for these molecules was calculated and β values were larger for porphyrins and tetraphenylporphyrin containing push-pull ligands type, especially those that contain in their structures the ethynyl linker. The second part of this work involved the study of structure, stability and NLO property of a series of porphyrin-nanotube complex (ZnP-SWNT, H2P-SWNT, ZnP-pp-SWNT and H2P -pp-SWNT). The results indicated that the stability of the complexes is directly related to the presence of Zn(II) ion, in addition, the push-pull groups also contribute to the overall stability. By taking the average stabilization energy throughout the series of isomers, the following stability order was established: ZnP-pp-SWNT>ZnPSWNT~H2P-pp-SWNT>H2P-SWNT. The carbon nanotubes functionalization with porphyrins enhance the ONL response. The β values increase significantly when the SWNT is functionalized with the H2P-pp and ZnP-pp molecules if compared to the free porphyrins. The results obtained in this work indicate that hybrid nanocomposites, such as those represented by H2P-pp-SWNT and ZnP-pp-SWNT, might be an important alternative to the proposition of interesting new materials with ONL responses.Neste trabalho, métodos da mecânica quântica foram aplicados na investigação das propriedades estruturais e ópticas não-lineares (ONL) de moléculas de porfirina (P) e tetrafenilporfirina (TFP), além dos sistemas híbridos formados por diferentes derivados porfirínicos (ZnP, H2P, ZnP-pp e H2P-pp) adsorvidos sobre a superfície de um nanotubo de carbono de parede simples (SWNT) a(5,5). Todas as geometrias moleculares foram calculadas usando a Teoria do Funcional da Densidade (DFT) e a primeira hiperpolarizabilidade β foi calculada no nível Hartree-Fock (HF). Primeiramente, foram avaliados os aspectos estruturais de sessenta e quatro moléculas de porfirinas e tetrafenilporfirinas complexadas com Zn(II) (ZnP e ZnTFP) ou na forma protonada (H2P e H2TFP), modificadas por substituintes ligados diretamente ao anel macrociclotetrapirrólico. Menores distorções dos anéis de porfirinas e tetrafenilporfirinas foram encontradas quando havia o radical espaçador etinil (et) entre os grupos doador-receptor de elétrons, NH2 e NO2, respectivamente. A primeira hiperpolarizabilidade média para as moléculas foi calculada e valores de β mais intensificados foram encontrados para as porfirinas e tetrafenilporfirinas contendo ligantes do tipo push-pull, destacando-se aquelas que contêm em suas estruturas o grupo espaçador etinil. A segunda parte deste trabalho envolveu o estudo da estrutura, estabilidade e propriedade ONL de uma série de complexos porfirina-nanotubo (ZnPSWNT, H2P-SWNT, ZnP-pp-SWNT e H2P-pp-SWNT). Os resultados indicaram que a estabilidade dos complexos está diretamente relacionada com a presença do metal Zn(II), além disso, os grupos push-pull também contribuem para a estabilidade. A partir dos valores médios da energia de estabilização da série de isômeros, foi estabelecida a seguinte ordem de estabilidade: ZnP-pp-SWNT > ZnP-SWNT ~ H2P-pp-SWNT > H2PSWNT. A funcionalização dos nanotubos de carbono com porfirinas intensificam a propriedade ONL calculada. O valor de β aumenta significativamente quando o SWNT é funcionalizado com as moléculas de H2P-pp e ZnP-pp se comparado com as porfirinas livres. Os resultados obtidos nesta dissertação indicam que nanocompostos híbridos, tais como os representados por H2P-pp-SWNT e ZnP-pp-SWNT, podem representar uma importante alternativa na proposição de novos materiais de interesse que apresentam respostas ONL.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio