Parametrização atomística do campo de força para moléculas aromáticas usando a Teoria do funcional da densidade

Abstract

Neste trabalho realizamos um estudo teórico do cálculo da energia de interação ab initio versus a distância para algumas configurações dos sistemas: dímeros de benzeno, dímeros de fenol, dímeros de catecol, dímeros de dopamina, benzeno-grafeno, fenol-grafeno, catecol-grafeno e dopamina-grafeno. Nestes sistemas a energia de interação, é determinada principalmente pela direcionalidade das interações (OH /π, e interações CH /π). A configuração em T-shaped é a mais estável entre os dímeros aromáticos. Para as interações molécula-grafeno as configurações mais estáveis encontradas foram: face a face e paralelo deslocado. Sendo assim, o grafeno pode adsorver as moléculas estudadas. Nós construímos um potencial atomístico Lennard-Jones para cada um dos sistemas aromáticos e aromáticos-grafeno estudados. Os potenciais clássicos foram obtidos a partir das energias ab initio através da otimização dos parâmetros do potencial de Lennard-Jones exigindo que as energias clássica e quântica tenham valores similares. O modelo atomístico gerado a partir das energias ab initio foi testado em um sistema específico: uma solução de moléculas de benzeno. Calculamos o diagrama de fases pressão versus temperatura, o qual apresenta uma coexistência de fases entre uma fase gás e uma de líquido terminando em um ponto crítico como observado experimentalmente. Em seguida, calculamos o coeficiente de difusão versus densidade para uma série de temperaturas, o qual é consistente com os experimentos. Além disto, para uma gama de temperaturas, as energias de ativação obtidas a partir do potencial efetivo se mostraram bastante próximas dos valores experimentais. A função de distribuição radial obtida computacionalmente demostrou um excelent acordo com os valores experimentais.

In this work we conducted a theoretical study of the ab initio interaction energy versus the distance for the following systems: benzene dimers, phenol dimers, catechol dimers, dopamine dimers, benzene-graphene, phenol-graphene, catechol-graphene and dopamine-graphene. In these systems the interaction energy is mainly determined by the directionality of the interactions (OH/π, and CH /π) interactions. We found that the T-shaped configuration is the more stable among all aromatic dimers. We also observed that in the case of the molecule-graphene interactions the more stable configurations are: face to face and parallel displaced. This result indicates that graphene can adsorb the aromatic molecules. We construct atomistic Lennard-Jones interaction potentials for each aromatic and aromaticgraphene systems. The classical potentials were derived from the ab initio energies by optimizing the Lennard-Jones parameters in order to obtain the same classical and quantum energies for each case. The atomistic model generated from ab initio energies was tested in one specific system: a solution of benzene. We calculated the pressure versus temperature phase diagram, which has a phase coexistence between a gas and a liquid phase ending at a critical point with resembles the experimental behavior of the fluid benzene. Then we calculated the diffusion coefficient versus density for a series of temperatures, observing a behavior which is consistent with the experiments. In addition, for a range of temperatures, the values of the activation energies computed from the effective potential are very close to the experimental observations. The radial distribution function obtained by the simulations showed excellent agreement with the experimental values.