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.

Variational calculation of vibrational linear and nonlinear optical properties

A variational approach for reliably calculating vibrational linear and nonlinear optical properties of molecules with large electrical and/or mechanical anharmonicity is introduced. This approach utilizes a self-consistent solution of the vibrational Schrödinger equation for the complete field-dependent potential-energy surface and, then, adds higher-level vibrational correlation corrections as desired. An initial application is made to static properties for three molecules of widely varying anharmonicity using the lowest-level vibrational correlation treatment (i.e., vibrational Møller-Plesset perturbation theory). Our results indicate when the conventional Bishop-Kirtman perturbation method can be expected to break down and when high-level vibrational correlation methods are likely to be required. Future improvements and extensions are discussed

Field-induced coordinates for the determination of dynamic vibrational nonlinear optical properties

Three conjugated organic molecules that span a range of polarity and valence-bond/charge transfer characteristics were studied. It was found that dispersion can be insignificant, and that adequate treatment can be achieved with frequency-dependent field-induced vibrational coordinates (FD-FICs)

Nuclear relaxation contribution to static and dynamic (infinite frequency approximation) nonlinear optical properties by means of electrical property expansions: Application to HF, CH4, CF4, and SF6

Electrical property derivative expressions are presented for the nuclear relaxation contribution to static and dynamic (infinite frequency approximation) nonlinear optical properties. For CF4 and SF6, as opposed to HF and CH4, a term that is quadratic in the vibrational anharmonicity (and not previously evaluated for any molecule) makes an important contribution to the static second vibrational hyperpolarizability of CF4 and SF6. A comparison between calculated and experimental values for the difference between the (anisotropic) Kerr effect and electric field induced second-harmonic generation shows that, at the Hartree-Fock level, the nuclear relaxation/infinite frequency approximation gives the correct trend (in the series CH4, CF4, SF6) but is of the order of 50% too small

Treatment of nonlinear optical properties due to large amplitude anharmonic vibrational motions: umbrella motion in NH3

A general reduced dimensionality finite field nuclear relaxation method for calculating vibrational nonlinear optical properties of molecules with large contributions due to anharmonic motions is introduced. In an initial application to the umbrella (inversion) motion of NH3 it is found that difficulties associated with a conventional single well treatment are overcome and that the particular definition of the inversion coordinate is not important. Future applications are described

Variational calculation of static and dynamic vibrational nonlinear optical properties

The vibrational configuration interaction method used to obtain static vibrational (hyper)polarizabilities is extended to dynamic nonlinear optical properties in the infinite optical frequency approximation. Illustrative calculations are carried out on H2 O and N H3. The former molecule is weakly anharmonic while the latter contains a strongly anharmonic umbrella mode. The effect on vibrational (hyper)polarizabilities due to various truncations of the potential energy and property surfaces involved in the calculation are examined

Basis set and electron correlation effects on initial convergence for vibrational nonlinear optical properties of conjugated organic molecules

The level of ab initio theory which is necessary to compute reliable values for the static and dynamic (hyper)polarizabilities of three medium size π-conjugated organic nonlinear optical (NLO) molecules is investigated. With the employment of field-induced coordinates in combination with a finite field procedure, the calculations were made possible. It is stated that to obtain reasonable values for the various individual contributions to the (hyper)polarizability, it is necessary to include electron correlation. Based on the results, the convergence of the usual perturbation treatment for vibrational anharmonicity was examined

Initial convergence of the perturbation series expansion for vibrational nonlinear optical properties

Initial convergence of the perturbation series expansion for vibrational nonlinear optical (NLO) properties was analyzed. The zero-point vibrational average (ZPVA) was obtained through first-order in mechanical plus electrical anharmonicity. Results indicated that higher-order terms in electrical and mechanical anharmonicity can make substantial contributions to the pure vibrational polarizibility of typical NLO molecules