Theoretical investigations of H₂ formation on interstellar silicates surfaces

Premi Extraordinari de Doctorat concedit pels programes de doctorat de la UAB per curs acadèmic 2017-2018Entre les molècules de l'espai, l'H2 és una de les més rellevants de l'univers. És la més abundant en el medi interestel·lar i és un intermedi clau per a la formació de molècules més grans. La seva formació és complexa, però a causa de la seva inherent rellevància, la comprensió de la seva interacció i la seva formació pot ser considerat com un paradigma del procés astrofísic. La present tesi s'estructura en quatre capítols. El capítol 1 presenta el marc astroquímic en què es troba la tesi, mostrant la presència d'hidrogen interestel·lar en el medi interestel·lar i on es porta a terme, en els grans de pols interestel·lar circumdants. Després de presentar els objectius d'aquesta tesi, el capítol 2 repassa els aspectes teòrics generals que hi ha darrere, com per exemple l'estructura electrònica, els mètodes del funcional de la densitat, el modelització de sòlids i l'efecte túnel, proporcionant finalment els detalls computacionals implicats. El capítol 3 correspon als resultats obtinguts i a la seva discussió i es divideix en diferents seccions. La secció 3.1 presenta algunes de les propietats fisicoquímiques de l'estructura cristal·lina i les corresponents superfícies de Mg2SiO4 forsterita, així com dels sistemes que contenen ferro com la olivina Mg1.5Fe0.5SiO4. La secció 3.2 reporta l'adsorció d'hidrogen atòmic i la seva recombinació per formar una molècula de H2 sobre la superfície cristal·lina (010) de Mg2SiO4 forsterita i la secció 3.3 analitza la rellevància de la morfologia superficial considerant la formació de H2 sobre les superfícies cristal·lines (001) i (110) de Mg2SiO4 forsterita. Finalment, la secció 3.4 investiga la influència dels àtoms de Fe2+ tot modelant la fisisorció i quimisorció d'hidrogen atòmic sobre la superfície cristal·lina (010) de forsterita amb contingut de ferro, tenint lloc posteriorment la formació de H2. El capítol 4 aborda les conclusions generals de la present tesi i les possibles perspectives futures, mentre que el capítol 5 inclou les referències citades. Per últim, l'apèndix A i B aporta informació suplementària reportada en el capítol 3.Among the molecules in space, H2 is one of the most relevant of the universe. It is the most abundant one in the interstellar medium and is a key intermediate for the formation of bigger molecules. Its formation is complex, but due to its inherent relevance understanding its interaction and its formation can be considered as a paradigm of the astrophysical process. The present thesis introduces in Chapter 1 the astrochemical framework in which the thesis is located, pointing out the presence of interstellar hydrogen in the interstellar medium and where it takes place, in the interstellar dust grains around. After presenting the goals this thesis aims, Chapter 2 overviews the general theoretical aspects behind it, such as electronic structure, density functional methods, solids modelling and tunnelling effects, providing finally the computational details entailed. Chapter 3 corresponds to results and discussion and is divided into different sections. Section 3.1 presents some physicochemical properties of the crystalline bulk structure and the corresponding surfaces of Mg2SiO4 forsterite and of the Fe-containing Mg1.5Fe0.5SiO4 olivine systems. Section 3.2 reports the adsorption of H atoms and their recombination to form a H2 molecule on the crystalline Mg2SiO4 forsterite (010) surface and Section 3.3 analyses the relevance of surface morphology by considering the H2 formation on the crystalline Mg2SiO4 forsterite (001) and (110) surfaces. Finally, Section 3.4 investigates the influence of Fe2+ atoms by modelling the physisorption/chemisorption of H atom on the Fe-containing (010) surface, subsequently taking place the formation of H2. Chapter 4 addresses the general conclusions of the present thesis and possible future perspectives, Chapter 5 includes the references cited and Appendix A and B supports the information given in Chapter 3