Finite field treatment of vibrational polarizabilities and hyperpolarizabilities: on the role of the Eckart conditions, their implementation, and their use in characterizing key vibrations

In the finite field (FF) treatment of vibrational polarizabilities and hyperpolarizabilities, the field-free Eckart conditions must be enforced in order to prevent molecular reorientation during geometry optimization. These conditions are implemented for the first time. Our procedure facilities identification of field-induced internal coordinates that make the major contribution to the vibrational properties. Using only two of these coordinates, quantitative accuracy for nuclear relaxation polarizabilities and hyperpolarizabilities is achieved in π-conjugated systems. From these two coordinates a single most efficient natural conjugation coordinate (NCC) can be extracted. The limitations of this one coordinate approach are discussed. It is shown that the Eckart conditions can lead to an isotope effect that is comparable to the isotope effect on zero-point vibrational averaging, but with a different mass-dependence

Are the maximum hardness and minimum polarizability principles always obeyed in nontotally symmetric vibrations?

An overview is given on a study which showed that not only in chemical reactions but also in the favorable case of nontotally symmetric vibrations where the chemical and external potentials keep approximately constant, the generalized maximum hardness principle (GMHP) and generalized minimum polarizability principle (GMPP) may not be obeyed. A method that allows an accurate determination of the nontotally symmetric molecular distortions with more marked GMPP or anti-GMPP character through diagonalization of the polarizability Hessian matrix is introduced

Implementation and application of basis set superposition error-correction schemes to the theoretical modeling of weak intermolecular interactions

This thesis deals with the so-called Basis Set Superposition Error (BSSE) from both a methodological and a practical point of view. The purpose of the present thesis is twofold: (a) to contribute step ahead in the correct characterization of weakly bound complexes and, (b) to shed light the understanding of the actual implications of the basis set extension effects in the ab intio calculations and contribute to the BSSE debate. The existing BSSE-correction procedures are deeply analyzed, compared, validated and, if necessary, improved. A new interpretation of the counterpoise (CP) method is used in order to define counterpoise-corrected descriptions of the molecular complexes. This novel point of view allows for a study of the BSSE-effects not only in the interaction energy but also on the potential energy surface and, in general, in any property derived from the molecular energy and its derivatives A program has been developed for the calculation of CP-corrected geometry optimizations and vibrational frequencies, also using several counterpoise schemes for the case of molecular clusters. The method has also been implemented in Gaussian98 revA10 package. The Chemical Hamiltonian Approach (CHA) methodology has been also implemented at the RHF and UHF levels of theory for an arbitrary number interacting systems using an algorithm based on block-diagonal matrices. Along with the methodological development, the effects of the BSSE on the properties of molecular complexes have been discussed in detail. The CP and CHA methodologies are used for the determination of BSSE-corrected molecular complexes properties related to the Potential Energy Surfaces and molecular wavefunction, respectively. First, the behaviour of both BSSE-correction schemes are systematically compared at different levels of theory and basis sets for a number of hydrogen-bonded complexes. The Complete Basis Set (CBS) limit of both uncorrected and CP-corrected molecular properties like stabilization energies and intermolecular distances has also been determined, showing the capital importance of the BSSE correction. Several controversial topics of the BSSE correction are addressed as well. The application of the counterpoise method is applied to internal rotational barriers. The importance of the nuclear relaxation term is also pointed out. The viability of the CP method for dealing with charged complexes and the BSSE effects on the double-well PES blue-shifted hydrogen bonds is also studied in detail. In the case of the molecular clusters the effect of high-order BSSE effects introduced with the hierarchical counterpoise scheme is also determined. The effect of the BSSE on the electron density-related properties is also addressed. The first-order electron density obtained with the CHA/F and CHA/DFT methodologies was used to assess, both graphically and numerically, the redistribution of the charge density upon BSSE-correction. Several tools like the Atoms in Molecules topologycal analysis, density difference maps, Quantum Molecular Similarity, and Chemical Energy Component Analysis were used to deeply analyze, for the first time, the BSSE effects on the electron density of several hydrogen bonded complexes of increasing size. The indirect effect of the BSSE on intermolecular perturbation theory results is also pointed out It is shown that for a BSSE-free SAPT study of hydrogen fluoride clusters, the use of a counterpoise-corrected PES is essential in order to determine the proper molecular geometry to perform the SAPT analysis.

A mixed H2/H∞-based semiactive control for vibration mitigation in flexible structures

In this paper, we address this problem through the design of a semiactive controller based on the mixed H2/H∞ control theory. The vibrations caused by the seismic motions are mitigated by a semiactive damper installed in the bottom of the structure. It is meant by semiactive damper, a device that absorbs but cannot inject energy into the system. Sufficient conditions for the design of a desired control are given in terms of linear matrix inequalities (LMIs). A controller that guarantees asymptotic stability and a mixed H2/H∞ performance is then developed. An algorithm is proposed to handle the semiactive nature of the actuator. The performance of the controller is experimentally evaluated in a real-time hybrid testing facility that consists of a physical specimen (a small-scale magnetorheological damper) and a numerical model (a large-scale three-story building)

Vibration and two-photon absorption

The rigorous and transparent treatment of the effects of nuclear vibrational motion in two-photon absorption (TPA) was discussed. Perturbation formula for diatomic molecules were developed and applied to the X¹Σ+–A¹Π transition in CO. The analysis showed that the vibrations played an important role in TPA, just as their role in the calculation of conventional nonlinear optical (NLO) hyperpolarizabilities

Automatic generation of active coordinates for quantum dynamics calculations: application to the dynamics of benzene photochemistry

A new practical method to generate a subspace of active coordinates for quantum dynamics calculations is presented. These reduced coordinates are obtained as the normal modes of an analytical quadratic representation of the energy difference between excited and ground states within the complete active space self-consistent field method. At the Franck-Condon point, the largest negative eigenvalues of this Hessian correspond to the photoactive modes: those that reduce the energy difference and lead to the conical intersection; eigenvalues close to 0 correspond to bath modes, while modes with large positive eigenvalues are photoinactive vibrations, which increase the energy difference. The efficacy of quantum dynamics run in the subspace of the photoactive modes is illustrated with the photochemistry of benzene, where theoretical simulations are designed to assist optimal control experiments

The effect of counterpoise correction and relaxation energy term to the internal rotation barriers: application to the BF3 ...NH3 and C2H4 ...SO2 dimers

The relevance of the fragment relaxation energy term and the effect of the basis set superposition error on the geometry of the BF3⋯NH3 and C2H4⋯SO2 van der Waals dimers have been analyzed. Second-order Møller-Plesset perturbation theory calculations with the d95(d,p) basis set have been used to calculate the counterpoise-corrected barrier height for the internal rotations. These barriers have been obtained by relocating the stationary points on the counterpoise-corrected potential energy surface of the processes involved. The fragment relaxation energy can have a large influence on both the intermolecular parameters and barrier height. The counterpoise correction has proved to be important for these systems

Second-order Møller-Plesset perturbation theory without basis set superposition error : II : open-shell systems

The basis set superposition error-free second-order MØller-Plesset perturbation theory of intermolecular interactions was studied. The difficulties of the counterpoise (CP) correction in open-shell systems were also discussed. The calculations were performed by a program which was used for testing the new variants of the theory. It was shown that the CP correction for the diabatic surfaces should be preferred to the adiabatic ones

How does basis set superposition error change the potential surfaces for hydrogen-bonded dimers?

We describe a simple method to automate the geometric optimization of molecular orbital calculations of supermolecules on potential surfaces that are corrected for basis set superposition error using the counterpoise (CP) method. This method is applied to the H-bonding complexes HF/HCN, HF/H2O, and HCCH/H2O using the 6-31G(d,p) and D95 + + (d,p) basis sets at both the Hartree-Fock and second-order Møller-Plesset levels. We report the interaction energies, geometries, and vibrational frequencies of these complexes on the CP-optimized surfaces; and compare them with similar values calculated using traditional methods, including the (more traditional) single point CP correction. Upon optimization on the CP-corrected surface, the interaction energies become more negative (before vibrational corrections) and the H-bonding stretching vibrations decrease in all cases. The extent of the effects vary from extremely small to quite large depending on the complex and the calculational method. The relative magnitudes of the vibrational corrections cannot be predicted from the H-bond stretching frequencies alone

Semiactive control strategies for vibration mitigation in adaptronic structures equipped with magnetorheological dampers

Los sistemas tales como edificios y veh¨ªculos est¨¢n sujetos a vibraciones que pueden causar mal funcionamiento, incomodidad o colapso. Para mitigar estas vibraciones, se suelen instalar amortiguadores. Estas estructuras se convierten en sistemas adaptr¨®nicos cuando los amortiguadores son controlables. Esta tesis se enfoca en la soluci¨®n del problema de vibraciones en edificios y veh¨ªculos usando amortiguadores magnetoreol¨®gicos (MR). Estos son unos amortiguadores controlables caracterizados por una din¨¢mica altamente no lineal. Adem¨¢s, los sistemas donde se instalan se caracterizan por la incertidumbre param¨¦trica, la limitaci¨®n de medidas y las perturbaciones desconocidas, lo que obliga al uso de t¨¦cnicas complejas de control. En esta tesis se usan Backstepping, QFT y H2/H¡Þ mixto para resolver el problema. Las leyes de control se verifican mediante simulaci¨®n y experimentaci¨®n.

Síntesi i estructura de lligands hexaazamacrocíclics i dels seus complexos de Zn. Estudis de catàlisi i de fenòmens de reconeixement molecular amb substrats aniònics

Es realitza una breu introducció a la Química Supramolecular, la qual estudia les estructures i funcions de les associacions que resulten de la unió d'espècies moleculars a través d'enllaços intermoleculars, no covalents. El reconeixement molecular, reactivitat i transport són les funcions bàsiques de les espècies supramoleculars. El present treball tracta de la química supramolecular d'anions i del potential efecte catalític de complexos de Zinc amb lligands hexaazamacrocilics en reaccions de hidròlisis d'esters de fosfat. Els lligands descrits en aquest treball són lligands macrocíclics hexadentats formats per amines secundàries o terciàries enllaçades a cadenes alquíliques de dos o tres àtoms de carbonis formant dos braços, que estan unides per un espaiador, El conjunt de lligands que s'estudien permeten estudiar els diferents factors, geomètrics, electrònics i estèrics que controlen els fenòmens de reconeixement molecular. El treball descriu en detall els procediments de síntesi i la caracterització d'aquest conjunt de lligands. S'ha realitzat un estudi sistemàtic dels diferents factors que afecten als fenòmens de reconeixement molecular entre lligands macrocíclics (L), descrits anteriorment i substrats aniònics (S): fosfats, polifosfats i dicarboxilats. Els estudis s'han realitzat tant en dissolució aquosa, a partir de mesures potenciomètriques, com en estat sòlid per difracció de Raig-X a partir de la obtenció de les estructures cristal·lines dels complexos. La força de l'enllaç en els complexos ternaris H:L:S es racionalitza en termes d'enllaç per pont d'hidrogen, interaccions electrostàtiques i interaccions per -Stacking. Així mateix es racionalitza la importància de les dimensions i forma de la cavitat en el grau d'interacció. Actualment hi ha un gran interès en l'estudi del paper que juguen els ions metàl·lics en el centre actiu dels metal·loenzims hidrolítics tal com la carboxipeptidasa, que catalitza la hidròlisi d'aminoàcids C-terminals de substrats polipeptídics, l'anhidrasa carbònica, que catalitza la reacció d'hidratació del CO2 per donar hidrogencarbonat, la fosfatasa alcalina, que actua catalitzant la hidròlisi no específica de monoesters de fosfats a pH alcalí. El Zn(II) és un metall que es troba sovint formant part dels centres actius dels metal·loenzims i és el segon element de transició més abundant en els organismes vius. Per aquest motiu són útils els models sintètics que puguin actuar com a mimetitzadors de reaccions bioinorgàniques en les que els metal·loenzims juguen un paper com a catalitzadors. Els models sintètics són complexos de metalls de transició formats per un lligand o lligands en el seu entorn de coordinació més immediat que tinguin efectes electrònics i estèrics els més similar possible als que es produeixen en el centre actiu dels enzims. Donat la importància dels complexos de Zn(II) com a models biomimètics de metal·loenzims hidrolítics, s'han sintetitzat i caracteritzat complexos dinuclears de Zn(II) amb lligands hexaazamacrocíclics descrits anteriorment. S'ha realitzat un estudi de la seva activitat catalítica en la hidròlisi d'un ester activat, l'acetat de p-nitrofenil, un substrat característic que s'utilitza per analitzar l'activitat catalítica dels models biomimètics.

Reducció de vibracions residuals en moviments transitoris. Definició de lleis de moviment per mitjà de corbes B-spline

Molts sistemes mecànics existents tenen un comportament vibratori funcionalment perceptible, que es posa de manifest enfront d'excitacions transitòries. Normalment, les vibracions generades segueixen presents després del transitori (vibracions residuals), i poden provocar efectes negatius en la funció de disseny del mecanisme. El mètode que es proposa en aquesta tesi té com a objectiu principal la síntesi de lleis de moviment per reduir les vibracions residuals. Addicionalment, els senyals generats permeten complir dues condicions definides per l'usuari (anomenats requeriments funcionals). El mètode es fonamenta en la relació existent entre el contingut freqüencial d'un senyal transitori, i la vibració residual generada, segons sigui l'esmorteïment del sistema. Basat en aquesta relació, i aprofitant les propietats de la transformada de Fourier, es proposa la generació de lleis de moviment per convolució temporal de polsos. Aquestes resulten formades per trams concatenats de polinomis algebraics, cosa que facilita la seva implementació en entorns numèrics per mitjà de corbes B-spline.

Desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica

La present Tesi Doctoral, titulada desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica, tracta, fonamentalment, els aspectes de càlcul de mesures de semblança basades en la comparació de funcions de densitat electrònica.El primer capítol, Semblança quàntica, és introductori. S'hi descriuen les funcions de densitat de probabilitat electrònica i llur significança en el marc de la mecànica quàntica. Se n'expliciten els aspectes essencials i les condicions matemàtiques a satisfer, cara a una millor comprensió dels models de densitat electrònica que es proposen. Hom presenta les densitats electròniques, mencionant els teoremes de Hohenberg i Kohn i esquematitzant la teoria de Bader, com magnituds fonamentals en la descripció de les molècules i en la comprensió de llurs propietats.En el capítol Models de densitats electròniques moleculars es presenten procediments computacionals originals per l'ajust de funcions densitat a models expandits en termes de gaussianes 1s centrades en els nuclis. Les restriccions físico-matemàtiques associades a les distribucions de probabilitat s'introdueixen de manera rigorosa, en el procediment anomenat Atomic Shell Approximation (ASA). Aquest procediment, implementat en el programa ASAC, parteix d'un espai funcional quasi complert, d'on se seleccionen variacionalment les funcions o capes de l'expansió, d'acord als requisits de no negativitat. La qualitat d'aquestes densitats i de les mesures de semblança derivades es verifica abastament. Aquest model ASA s'estén a representacions dinàmiques, físicament més acurades, en quant que afectades per les vibracions nuclears, cara a una exploració de l'efecte de l'esmorteïment dels pics nuclears en les mesures de semblança molecular. La comparació de les densitats dinàmiques respecte les estàtiques evidencia un reordenament en les densitats dinàmiques, d'acord al que constituiria una manifestació del Principi quàntic de Le Chatelier. El procediment ASA, explícitament consistent amb les condicions de N-representabilitat, s'aplica també a la determinació directe de densitats electròniques hidrogenoides, en un context de teoria del funcional de la densitat.El capítol Maximització global de la funció de semblança presenta algorismes originals per la determinació de la màxima sobreposició de les densitats electròniques moleculars. Les mesures de semblança molecular quàntica s'identifiquen amb el màxim solapament, de manera es mesuri la distància entre les molècules, independentment dels sistemes de referència on es defineixen les densitats electròniques. Partint de la solució global en el límit de densitats infinitament compactades en els nuclis, es proposen tres nivells de aproximació per l'exploració sistemàtica, no estocàstica, de la funció de semblança, possibilitant la identificació eficient del màxim global, així com també dels diferents màxims locals. Es proposa també una parametrització original de les integrals de recobriment a través d'ajustos a funcions lorentzianes, en quant que tècnica d'acceleració computacional. En la pràctica de les relacions estructura-activitat, aquests avenços possibiliten la implementació eficient de mesures de semblança quantitatives, i, paral·lelament, proporcionen una metodologia totalment automàtica d'alineació molecular. El capítol Semblances d'àtoms en molècules descriu un algorisme de comparació dels àtoms de Bader, o regions tridimensionals delimitades per superfícies de flux zero de la funció de densitat electrònica. El caràcter quantitatiu d'aquestes semblances possibilita la mesura rigorosa de la noció química de transferibilitat d'àtoms i grups funcionals. Les superfícies de flux zero i els algorismes d'integració usats han estat publicats recentment i constitueixen l'aproximació més acurada pel càlcul de les propietats atòmiques. Finalment, en el capítol Semblances en estructures cristal·lines hom proposa una definició original de semblança, específica per la comparació dels conceptes de suavitat o softness en la distribució de fonons associats a l'estructura cristal·lina. Aquests conceptes apareixen en estudis de superconductivitat a causa de la influència de les interaccions electró-fonó en les temperatures de transició a l'estat superconductor. En aplicar-se aquesta metodologia a l'anàlisi de sals de BEDT-TTF, s'evidencien correlacions estructurals entre sals superconductores i no superconductores, en consonància amb les hipòtesis apuntades a la literatura sobre la rellevància de determinades interaccions.Conclouen aquesta tesi un apèndix que conté el programa ASAC, implementació de l'algorisme ASA, i un capítol final amb referències bibliogràfiques.

Desenvolupament, implementació i aplicació de noves metodologies per a l'estudi de la reactivitat química i de les propietats òptiques no lineals

El coneixement de la superfície d'energia potencial (PES) ha estat essencial en el món de la química teòrica per tal de discutir tant la reactivitat química com l'estructura i l'espectroscòpia molecular. En el camp de la reactivitat química es hem proposat continuar amb el desenvolupament de nova metodologia dins el marc de la teoria del funcional de la densitat conceptual. En particular aquesta tesis es centrarà en els següents punts: a) El nombre i la naturalesa dels seus punts estacionaris del PES poden sofrir canvis radicals modificant el nivell de càlcul utilitzats, de tal manera que per estar segurs de la seva naturalesa cal anar a nivells de càlcul molt elevats. La duresa és una mesura de la resistència d'un sistema químic a canviar la seva configuració electrònica, i segons el principi de màxima duresa on hi hagi un mínim o un màxim d'energia trobarem un màxim o un mínim de duresa, respectivament. A l'escollir tot un conjunt de reaccions problemàtiques des del punt de vista de presència de punts estacionaris erronis, hem observat que els perfils de duresa són més independents de la base i del mètode utilitzats, a més a més sempre presenten el perfil correcte. b) Hem desenvolupat noves expressions basades en les integracions dels kernels de duresa per tal de determinar la duresa global d'una molècula de manera més precisa que la utilitzada habitualment que està basada en el càlcul numèric de la derivada segona de l'energia respecte al número d'electrons. c) Hem estudiat la validesa del principis de màxima duresa i de mínima polaritzabiliat en les vibracions asimètriques en sistemes aromàtics. Hem trobat que per aquests sistemes alguns modes vibracionals incompleixen aquests principis i hem analitzat la relació d'aquest l'incompliment amb l'efecte de l'acoblament pseudo-Jahn-Teller. A més a més, hem postulat tot un conjunt de regles molt senzilles que ens permetien deduir si una molècula compliria o no aquests principis sense la realització de cap càlcul previ. Tota aquesta informació ha estat essencial per poder determinar exactament quines són les causes del compliment o l'incompliment del MHP i MPP. d) Finalment, hem realitzat una expansió de l'energia funcional en termes del nombre d'electrons i de les coordenades normals dintre del conjunt canònic. En la comparació d'aquesta expansió amb l'expansió de l'energia del nombre d'electrons i del potencial extern hem pogut recuperar d'una altra forma diferent tot un conjunt de relacions ja conegudes entre alguns coneguts descriptors de reactivitat del funcional de la densitat i en poden establir tot un conjunt de noves relacions i de nous descriptors. Dins del marc de les propietats moleculars es proposa generalitzar i millorar la metodologia pel càlcul de la contribució vibracional (Pvib) a les propietats òptiques no lineals (NLO). Tot i que la Pvib no s'ha tingut en compte en la majoria dels estudis teòrics publicats de les propietats NLO, recentment s'ha comprovat que la Pvib de diversos polímers orgànics amb altes propietats òptiques no lineals és fins i tot més gran que la contribució electrònica. Per tant, tenir en compte la Pvib és essencial en el disseny dels nous materials òptics no lineals utilitzats en el camp de la informàtica, les telecomunicacions i la tecnologia làser. Les principals línies d'aquesta tesis sobre aquest tema són: a) Hem calculat per primera vegada els termes d'alt ordre de Pvib de diversos polímers orgànics amb l'objectiu d'avaluar la seva importància i la convergència de les sèries de Taylor que defineixen aquestes contribucions vibracionals. b) Hem avaluat les contribucions electròniques i vibracionals per una sèrie de molècules orgàniques representatives utilitzant diferents metodologies, per tal de poder de determinar quina és la manera més senzilla per poder calcular les propietats NLO amb una precisió semiquantitativa.

Robust Control of Systems Subjected to Uncertain Disturbances and Actuator Dynamics

Esta tesis está enfocada al diseño y validación de controladores robustos que pueden reducir de una manera efectiva las vibraciones structurales producidas por perturbaciones externas tales como terremotos, fuertes vientos o cargas pesadas. Los controladores están diseñados basados en teorías de control tradicionalamente usadas en esta area: Teoría de estabilidad de Lyapunov, control en modo deslizante y control clipped-optimal, una técnica reciente mente introducida : Control Backstepping y una que no había sido usada antes: Quantitative Feedback Theory. La principal contribución al usar las anteriores técnicas, es la solución de problemas de control estructural abiertos tales como dinámicas de actuador, perturbaciones desconocidas, parametros inciertos y acoplamientos dinámicos. Se utilizan estructuras típicas para validar numéricamente los controladores propuestos. Especificamente las estructuras son un edificio de base aislada, una plataforma estructural puente-camión y un puente de 2 tramos, cuya configuración de control es tal que uno o mas problemas abiertos están presentes. Se utilizan tres prototipos experimentales para implementar los controladores robustos propuestos, con el fin de validar experimentalmente su efectividad y viabilidad. El principal resultado obtenido con la presente tesis es el diseño e implementación de controladores estructurales robustos que resultan efectivos para resolver problemas abiertos en control estructural tales como dinámicas de actuador, parámetros inciertos, acoplamientos dinámicos, limitación de medidas y perturbaciones desconocidas.