Topological indices for the characterization of electronic localization in molecules and solids
Alfonso Gallo Bueno · 2016
La quimica es una disciplina cientifica cuyos conceptos mas arraigados han sido interpretados alegoricamente por Frenking y Krapp [J Comput Chem 28: 15–24, 2007] como unicornios, refiriendose a algo que todo el mundo conoce pero que nadie ha visto. Como encargada de comprender las sustancias y sus transformaciones, la quimica ha ido introduciendo desde sus origenes conceptos con un trasfondo en gran parte mitico, resilientes por haber servido para traerla hasta el estado en que se encuentra hoy en dia, pero fragiles si atendemos al razonamiento cientifico sobre el que se basan. El enlace quimico es uno de ellos que, como central a la ciencia quimica por ser el que rige las relaciones entre atomos y moleculas, y que por tanto define el comportamiento de las sustancias, ha sufrido numerosas transformaciones que han tratado de dotarlo de fondo fisico. Con el desarrollo de la mecanica cuantica como teoria del mundo microscopico a principios del siglo XX y su aplicacion a sistemas quimicos, el concepto de enlace ha ganado en sofisticacion y contenido fisico. Sin embargo, este avance se ha producido fundamentalmente en espacios abstractos diferentes al espacio real, por lo que entender las teorias que intentan explicarlo y sus consecuencias se hace muy complicado al exigir al lector una formacion fisica avanzada. De un tiempo a esta parte, se ha tratado de dar una vuelta de tuerca a la manera de entender el enlace, intentando buscar la forma de conciliar el rigor fisico y matematico de su definicion con las ideas tradicionales que tan utiles han demostrado ser, pero que se basan en la intuicion. Esta nueva forma de entender la quimica cuantica se conoce como topologia quimico-cuantica (QCT). El paraguas QCT ampara diferentes herramientas, como los indices de localizacion (LI) y deslocalizacion (DI), definidos dentro de la teoria cuantica de atomos en moleculas (QTAIM), asi como las funciones de distribucion electronica (EDF) y los orbitales naturales adaptativos (NAdOs), todo en el espacio real, donde la mente del quimico esta acostumbrada a trabajar y donde el concepto de enlace quimico toma sentido. En la presente tesis doctoral ahondamos en la utilizacion de estas herramientas. Demostramos que los LIs y DIs son cantidades capaces de caracterizar sistemas metalicos y aislantes, tanto moleculares como en el estado solido, desde un punto de vista teorico, es decir, con la gran ventaja de solo necesitar de un calculo computacional, sin involucrar ningun tipo de experimento. Se han aplicado en cadenas y anillos modelo, asi como en cadenas y anillos de atomos de hidrogeno. Se analiza a su vez el efecto que tiene sobre ellos la correlacion electronica. Tambien se extiende la aplicacion de las EDFs, hasta ahora solo calculadas en moleculas, a sistemas en estado solido: NaCl, diamante y grafito, y sodio metalico, como modelos de enlace ionico, covalente y metalico, respectivamente. Estas funciones de distribucion electronica permiten hacer un analisis pormenorizado de la “personalidad” de un sistema, cristal en nuestro caso, proporcionando asi informacion del porque de su comportamientos en cualquier tipo de ambiente. Tanto los LIs y DIs como las EDFs responden a la contemplacion del enlace quimico desde un punto de vista estadistico, lo que proporciona una mirada original a un concepto de larga trayectoria. Por otro lado, los NAdOs son funciones representables graficamente y que por su caracter monoelectronico ofrecen una imagen del enlace quimico similar a la de los orbitales moleculares, a los que la comunidad quimica esta acostumbrada. Complementan por tanto la informacion de los DIs y las EDFs, haciendo que el enlace se comprenda mejor y ademas, pueda contemplarse mejor. En este trabajo se han aplicado los NadOs, que hasta ahora solo se habian estudiado en moleculas, a los mismos sistemas cristalinos para los que se evaluaron las EDFs. El resultado es un trabajo que recoge las mas originales ideas sobre el enlace quimico y que constituyen el 'state of the art' de la ciencia quimica, y las extiende a nuevos territorios donde no se conocia su comportamiento, aumentando asi su caracter general.