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Title: Estudo de clusters metálicos de alumínio-sódio, alumíniopotássio, alumínio-lítio e sódio-lítio pelas abordagens de algoritmos genéticos, cálculos quânticos e análise topológica
Authors: Santos, Acassio Rocha
Keywords: Algoritmo genético;Potencial gupta;Clusters;QTAIM
Issue Date: 21-Feb-2017
Citation: SANTOS, Acassio Rocha. Estudo de clusters metálicos de alumínio-sódio, alumíniopotássio, alumínio-lítio e sódio-lítio pelas abordagens de algoritmos genéticos, cálculos quânticos e análise topológica. 2017. 118f. Dissertação (Mestrado em Química) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2017.
Portuguese Abstract: O estudo teórico de clusters metálicos tem despertado um interesse considerável, devido à possibilidade de criar novas ligas de materiais em nanoescala, as chamadas "nanoligas". Pesquisas sobre nanoligas desempenham papel significativo na Ciência de Materiais, pois, entre seus objetivos mais importantes, estão o de prever a estabilidade das estruturas, seus modos de crescimento, bem como o de auxiliar a interpretação de medidas espectroscópicas e outras medições experimentais. Nesse contexto, um grande número de métodos foi relatado nos últimos anos para a otimização do mínimo global de grupos atômicos e moleculares, sendo um dos mais utilizados atualmente o do Algoritmo Genético (doravante, GA), o qual baseia-se em princípios relacionados a processos evolutivos, em operadores inspirados na Teoria da Evolução e na Genética, isto é, na recombinação, mutação e seleção natural. Particularmente, o GA com a implementação do potencial Gupta tem se mostrado eficiente na busca de soluções “ótimas” em problemas de otimização de clusters metálicos. Esta dissertação é composta por capítulos de introdução, de metodologia, de abordagem teórica (Cap. 1, 2 e 3); e também por capítulos que contêm artigos sobre o tema proposto (Cap. 4, 5 e 6). No primeiro artigo (Cap. 4), analisaram-se clusters bimetálicos AlxNay (x+y≤55) por meio da aplicação do GA com a implementação do potencial Gupta. Com base também na aplicação do GA, no segundo capítulo (Cap. 5) foram estudados clusters de AlxLiy e AlxKy (x+y ≤ 55). Em ambos os trabalhos, para elevar a eficiência do GA, introduziu-se mais dois operadores: o Aniquilador e o História. Ao serem comparadas as estruturas obtidas por meio do GA com potencial Gupta para clusters de alumínio puro, lítio puro e alumínio-lítio com resultados recentes da literatura, verificou-se que para os sistemas Al2, Al3, Al6, Al8, Al9, Li5, Li6, Li7, Al1Li5, Al1Li7 e Al1Li8 as geometrias obtidas foram muito semelhantes àquelas resultantes de cálculos de funcional de densidade e ab initio[como CCSD(T)]. No terceiro artigo (Cap. 6), analisou-se um novo algoritmo genético quântico (Q-GA) para pequenos sistemas de clusters NaxLiy com (x+y ≤ 10). Constatou-se que o Q-GA apresenta maior eficiência na busca do mínimo global em relação ao GA com o potencial Gupta. Isso porque o primeiro utiliza método quântico, enquanto o segundo usa um método clássico. Por ser mais preciso, o Q-GA possui uma abrangência menor. Neste artigo, além de cálculos ab inito, também foram realizados cálculos topológicos a partir da Teoria Quântica de Átomos em Moléculas (QTAIM) para as estruturas Na1Li5, Na2Li4, Na3Li3, Na4Li2 e Na5Li1, obtidas pelo Q-GA. Nessas estruturas, chama a atenção o fato de não haver caminho de ligação envolvendo diretamente os metais, sendo unidos por pseudoátomos, com exceção do Na5Li1. Algumas interações atômicas não foram indicadas pelo caminho de ligação e sua análise foi feita pelo índice de deslocalização (DI). No sistema Na1Li5, os pares atômicos Na1-Li2 e Na1-Li6 têm as interações mais fortes (e equivalentes à do sistema NaLi) de todos os pares Na-Li de todos clusters NaxLiy(x+y=6); ao mesmo tempo, os outros pares Na-Li têm interações dez vezes mais fracas do que aquelas do sistema NaLi. As interações Na-Na dos clusters Na4Li2 e Na5Li1 são as mais fortes quando comparadas com sistemas puros. Por fim, verificou-se que a fórmula do grau de degenerescência do índice de aromaticidade D3BIA e a carga atômica indicaram que os átomos de lítio mais próximo ao átomo de sódio transferem carga para esse último.
Abstract: The theoretical study of metal clusters has drawn considerable interest due to the possibility of creating new alloys from materials in nanoscale, the so-called "nanoalloys". Research on nanoalloys has had an important role in materials science, since, among some of its most relevant objectives, we may find the prediction of stability in structures, their manners of growth and further assistance in the interpretation of spectroscopic and other experimental measures. In this context, several methods have been reported in the last few years towards the global minimum optimization of atomic and molecular groups, where the Genetic Algorithm (henceforth GA) is currently considered one of the most used methods, whilst based on principles related to evolutionary processes as well as operators inspired by the Theory of Evolution and Genetics, i. e., by recombination, mutation and natural selection. The GA method in particular, and altogether with the implementation of the Gupta potential, has become efficient in the search for “optimal” solutions for optimization problems in metallic clusters. The present dissertation is composed of chapters consisting of introduction, methodology and theoretical considerations (Chap. 1, 2 and 3), as well as of chapters containing articles on the proposed subject (Chap. 4, 5 and 6). In the first article (Chap. 4), we may find the analysis of AlxNay (x + y ≤ 55) bimetallic clusters through the Genetic Algorithm method with the implementation of the Gupta potential. Also based on the GA application, in the following chapter (Chap. 5) we may find a study regarding AlxLiy e AlxKy (x+y ≤ 55) clusters. In both works, in order to improve GA efficiency, two additional operators have been introduced: Annihilator and History. By being compared to structures obtained by means of GA with Gupta potential for pure aluminum, pure lithium and aluminum-lithium clusters in recent results from literature, it has been verified that, regarding systems Al2, Al3, Al6, Al8, Al9, Li5, Li6, Li7, Al1Li5, Al1Li7 e Al1Li8, the obtained geometries were very similar to those resulting from density functional and ab initio calculations [such as CCSD(T)]. In the third chapter (Chap. 6), we analyzed a new quantum genetic algorithm (QGA) for small cluster systems NaxLiy with (x+y ≤ 10). It has been observed that Q-GA presents an improved efficiency towards a global minimum regarding the GA with the Gupta potential. That has been the case since the former uses the quantum method, while the latter uses a classic method. More specifically, the Q-GA has a narrower scope. In this article, besides ab initio calculations, topological calculations were performed as well, grounded on the Quantum Theory of Atoms in Molecules (QTAIM) for the structures Na1Li5, Na2Li4, Na3Li3, Na4Li2 e Na5Li1 obtained by the Q-GA. In these structures, it is evident that there is no bonding path between the metals, since they are bonded by pseudo atoms, with the exception of the Na5Li1. Some of the atomic interactions have not been suggested by the bonding path, being their analysis performed according to the delocalization index (DI). In the Na5Li1 system, the atomic pairs Na1-Li2 and Na1-Li6 have the strongest interactions (equivalent to the NaLi system) of all Na-Li pairs in all of the NaxLiy (x+y=6) clusters; concurrently, other Na-Li pairs bear interactions ten times weaker than those from the NaLi system. The Na-Na interactions from the clusters Na4Li2 e Na5Li1 are stronger when compared to pure systems. Finally, it has been verified that the degree of degeneracy formula of the aromaticity index D3BIA and the atomic charge suggest that the lithium atoms that are closer to the sodium atom transfer charge to the latter.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/23542
Appears in Collections:PPGQ - Mestrado em Química

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