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Teoría y Simulación de Interacciones Moleculares

Las fuerzas intermoleculares o, equivalentemente, interacciones, son responsables de la mayoría de las propiedades físicas de la materia, en las condiciones de presión y temperatura de nuestra vida diaria: el comportamiento de los gases reales, las transiciones de fase gas-líquido-sólido, capilaridad, adsorción, etc.

El concepto de fuerzas intermoleculares constituye un poderoso paradigma que por un lado nos permite explicar el resultado de una colisión molecular en un amplio intervalo de condiciones experimentales, así como la espectroscopia y estructura de los agregados, siendo dichas fuerzas responsables, por otro lado, de las propiedades macroscópicas de los gases y de las fases condensadas.

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Dentro de la aproximación de Born-Oppenheimer, se resuelve la ecuación de movimiento de los electrones para cada posición de los núcleos y mediante este proceso se obtiene al final, una Superficie de Energía Potencial (S.E.P.) que gobierna el movimiento de los núcleos. El segundo paso, en este esquema involucra la solución del problema dinámico del movimiento nuclear. Relacionados con este tópico hay, pues, varios desafíos:

  • El desarrollo de métodos eficientes para el estudio de sistemas moleculares más grandes.
  • El tratamiento de sistemas de capa abierta, donde los electrones están desapareados.
  • El intervalo de en el cual es válida la aditividad de las fuerzas intermoleculares en agregados (o en otras palabras, el papel de las fuerzas de muchos-cuerpos).

Nuestra investigación se centra, de forma resumida, en la construcción de potenciales globales intermoleculares fiables que describan con precisión el movimiento nuclear.

Nosotros usamos de forma primordial tratamientos mecano-cuánticos ab initio aunque también usamos tratamientos más aproximados para sistemas más complejos. Siempre tratamos de trabajar en estrecha colaboración con grupos experimentales del campo.

Nuestro interés es obtener datos (propiedades moleculares, potenciales intermoleculares, constantes de velocidad de colisiones) que puedan ser de utilidad en otros campos: ciencias atmosféricas, de superficie, de la combustión o astroquímica particularmente en condiciones experimentales extremas o inaccesibles.

Nuestros objetivos científicos son:

a) Cálculo de las interacciones (débiles) moleculares en fase gas: transferencia de energía en colisiones moleculares (constantes de velocidad en amplios intervalos de presión y temperatura )

b) Estudio de agregados moleculares: validez de la aproximación de pares, estructura, estabilidad, mecanismos de condensación etc.

c) Sistemas extendidos: Interacciones entre átomos y moléculas con materiales basados en carbono (hidrocarburos policíclicos aromáticos, grafitos, grafeno) y simulaciones dinámicas, (adsorción, difracción etc.). Aplicaciones a la ciencia de materiales.

Para conseguir estos objetivos, empleamos varios métodos:

I) Obtención de potenciales globales mediante cálculos de estructura electrónica ab initio.

II) Modelización de S.E.P.s globales mediante métodos fuertemente basado en conceptos físicos como la polarizabilidad.

III) Cálculos mecano-cuánticos de la dinámica de colisiones moleculares (resolución de la ecuación de Schrödinger dependiente e independiente del tiempo).

d)Estructura y espectroscopía de pequeños agregados moleculares, optimización de geometría, cálculo de estados ligados, métodos de Monte Carlo etc.

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