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Publicação
Electron-Molecule Reactions Application of Computational Methods to Radiosensitizers, Surfaces and Small Molecules
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Electron-molecule reactions cover a very wide variety of interactions such as excitation,
ionization, formation/cleavage of chemical bonds, etc. As such, this type of reactions is
important in scientific fields ranging from biology and material science to chemistry and
physics.
From a fundamental point of view, the first step to study these interactions is to obtain
the wave function of the participating molecule(s) by solving Schrödinger’s equation
since it encodes all the information of the system. However, solving this equation is
neither possible analytically for systems with more than one or two electrons without
simplifications. Even in the case of numerical solutions the computational cost of solving
it increases exponentially with the number of electrons. This is the main concern of ab
initio calculations where the wave function is, at least in a first step, obtained by solving
a set of smaller single electron wave functions (or orbitals) for each of the electrons in a
system.
An example of an electron-molecule reaction is Dissociative Electron Attachment
(DEA) which plays a major role in different technological, atmospheric and biological
environments. In it, a molecule dissociates into fragments after capturing a free electron. A
similar type of reaction is Dissociative Electron Transfer (DET) where instead of capturing
a free electron, an electron is transferred from an atomic or molecular species to another,
leading to fragmentation of the molecule receiving the electron.
In chapter one we describe the theory behind several ab initio methods that are
fundamental for studying important electron-molecule reactions such as DEA which
plays an important role in various biological processes. In Chapter two we discuss
molecular force fields and their importance in computational quantum chemistry, and we
also describe three families of force fields commonly used in the literature. In chapter three
a brief description of radiosensitizers and their application in both biology and medicine
is given. In chapter four the essential theory behind the methods employed to calculate
Electron-impact Ionization Cross-Sections (EICS) is outlined. EICSs that are needed in
many fields, often connected to plasma science, such as medically used micro-plasmas,
lighting devices and semiconductor manufacturing. It is also connected to the modeling of effects of impurities in nuclear fusion reactors. Those impurities are small molecules inside
a hot plasma, formed by erosion of the walls. In chapters five through seven we present
three works that have been published in peer-reviewed journals through the course of my
doctorate studies. Finally, some conclusions based on the results obtained in the papers
published for this dissertation are drawn, and some future perspectives are given.
As reações eletrão-molécula abrangem uma ampla variedade de interações, como excitação, ionização, formação/clivagem de ligações químicas, etc. Por isso, esse tipo de reação é importante em campos científicos que vão da biologia e ciência dos materiais à química e física. Do ponto de vista fundamental, o primeiro passo para estudar essas interações é obter a função de onda da(s) molécula(s) envolvida(s) resolvendo a equação de Schrödinger, pois ela codifica toda a informação do sistema. No entanto, resolver essa equação analiticamente não é possível para sistemas dois ou mais eletrões sem simplificações. Mesmo no caso de soluções numéricas, o custo computacional para resolvê-la aumenta exponencialmente com o número de eletrões. Essa é a principal preocupação dos cálculos ab initio, onde a função de onda é obtida, pelo menos em uma primeira etapa, resolvendo-se um conjunto de funções de onda (ou orbitais) de um só eletrão para cada um dos eletrões de um sistema. Um exemplo de reação eletrão-molécula é o Acoplamento Dissociativo de Eletrões (DEA), que desempenha um papel importante em diversos ambientes tecnológicos, at- mosféricos e biológicos. Nesse processo, uma molécula se dissocia em fragmentos após capturar um eletrão livre. Um tipo similar de reação é a Transferência Dissociativa de Eletrões (DET). Ao contrário do DEA, em vez de capturar um eletrão livre, ocorre a transferência de um eletrão de uma espécie atômica ou molecular para outra, levando à fragmentação da molécula que recebe o eletrão. No capítulo um, descrevemos a teoria por trás de vários métodos ab initio fundamentais para o estudo de importantes reações eletrão-molécula, como o DEA, que desempenha um papel importante em diversos processos biológicos. No capítulo dois, discutimos os campos de força moleculares e sua importância na química quântica computacional, descrevendo também três famílias de campos de força comumente usados na literatura. No capítulo três, é fornecida uma breve descrição dos radiosensibilizadores e sua aplicação em biologia e medicina. No capítulo quatro, é apresentada a teoria essencial por trás dos métodos empregados para calcular Seções de Ionização por Impacto Eletrônico (EICS). As EICS são necessárias em muitas áreas, frequentemente ligadas à estudos de plasma, como microplasmas usados na medicina, dispositivos de iluminação e fabricação de semicondutores. Também está ligada à modelação dos efeitos das impurezas em reatores de fusão nuclear. Estas impurezas são moléculas pequenas dentro de um plasma quente, formadas pela erosão das paredes. Nos capítulos cinco a sete, apresentamos três trabalhos que foram publicados em jornais científicos ao longo do meu doutorado. Finalmente, são apresentadas algumas conclusões baseadas nos resultados obtidos nos artigos publicados para esta dissertação, e algumas perspetivas futuras.
As reações eletrão-molécula abrangem uma ampla variedade de interações, como excitação, ionização, formação/clivagem de ligações químicas, etc. Por isso, esse tipo de reação é importante em campos científicos que vão da biologia e ciência dos materiais à química e física. Do ponto de vista fundamental, o primeiro passo para estudar essas interações é obter a função de onda da(s) molécula(s) envolvida(s) resolvendo a equação de Schrödinger, pois ela codifica toda a informação do sistema. No entanto, resolver essa equação analiticamente não é possível para sistemas dois ou mais eletrões sem simplificações. Mesmo no caso de soluções numéricas, o custo computacional para resolvê-la aumenta exponencialmente com o número de eletrões. Essa é a principal preocupação dos cálculos ab initio, onde a função de onda é obtida, pelo menos em uma primeira etapa, resolvendo-se um conjunto de funções de onda (ou orbitais) de um só eletrão para cada um dos eletrões de um sistema. Um exemplo de reação eletrão-molécula é o Acoplamento Dissociativo de Eletrões (DEA), que desempenha um papel importante em diversos ambientes tecnológicos, at- mosféricos e biológicos. Nesse processo, uma molécula se dissocia em fragmentos após capturar um eletrão livre. Um tipo similar de reação é a Transferência Dissociativa de Eletrões (DET). Ao contrário do DEA, em vez de capturar um eletrão livre, ocorre a transferência de um eletrão de uma espécie atômica ou molecular para outra, levando à fragmentação da molécula que recebe o eletrão. No capítulo um, descrevemos a teoria por trás de vários métodos ab initio fundamentais para o estudo de importantes reações eletrão-molécula, como o DEA, que desempenha um papel importante em diversos processos biológicos. No capítulo dois, discutimos os campos de força moleculares e sua importância na química quântica computacional, descrevendo também três famílias de campos de força comumente usados na literatura. No capítulo três, é fornecida uma breve descrição dos radiosensibilizadores e sua aplicação em biologia e medicina. No capítulo quatro, é apresentada a teoria essencial por trás dos métodos empregados para calcular Seções de Ionização por Impacto Eletrônico (EICS). As EICS são necessárias em muitas áreas, frequentemente ligadas à estudos de plasma, como microplasmas usados na medicina, dispositivos de iluminação e fabricação de semicondutores. Também está ligada à modelação dos efeitos das impurezas em reatores de fusão nuclear. Estas impurezas são moléculas pequenas dentro de um plasma quente, formadas pela erosão das paredes. Nos capítulos cinco a sete, apresentamos três trabalhos que foram publicados em jornais científicos ao longo do meu doutorado. Finalmente, são apresentadas algumas conclusões baseadas nos resultados obtidos nos artigos publicados para esta dissertação, e algumas perspetivas futuras.
Descrição
Palavras-chave
Density Functional Theory Hartree-Fock Radiosensitizers Molecular Force Fields Electron-Impact Ionization Cross sections Green’s Function