Sobre les relacions lineals d'energia lliure: mesures de semblança molecular quàntica sobre funcions de densitat electrònica modificad

En aquest treball es presenta l'ús de funcions de densitat electrònica de forat de Fermi per incrementar el paper que pren una regió molecular concreta, considerada com a responsable de la reactivitat molecular, tot i mantenir la mida de la funció de densitat original. Aquestes densitats s'utilitzen per fer mesures d'autosemblança molecular quàntica i es presenten com una alternativa a l'ús de fragments moleculars aillats en estudis de relació entre estructura i propietat. El treball es complementa amb un exemple pràctic, on es correlaciona l'autosemblanca molecular a partir de densitats modificades amb l'energia d'una reacció isodòsmica

Analysis of chemical bonding and aromaticity from electronic delocalization descriptors

Interactions between electrons determine the structure and properties of matter from molecules to solids. Therefore, the understanding of the electronic structure of molecules will enable us to extract relevant chemical information. In the first part of this thesis, we focus our attention on the analysis of chemical bonding by means of the Electron Localization Function (ELF) and the Domain-Averaged Fermi Hole analysis (DAFH). In the second part, we assess the performance of some indicators of aromaticity by analyzing their advantages and drawbacks. We propose a series of tests based on well-known aromaticity trends that can be applied to evaluate the aromaticity of current and future indicators of aromaticity in both organic and inorganic species. Moreover, we investigate the nature of electron delocalization in both aromatic and antiaromatic systems in the light of Hückel’s (4n + 2) rule. Finally, we analyze the phenomenon of multiple aromaticity in all-metal clusters.

Funcions densitat i semblança molecular quàntica: nous desenvolupaments i aplicacions

La present tesi, tot i que emmarcada dins de la teoria de les Mesures Semblança Molecular Quántica (MQSM), es deriva en tres àmbits clarament definits: - La creació de Contorns Moleculars de IsoDensitat Electrònica (MIDCOs, de l'anglès Molecular IsoDensity COntours) a partir de densitats electròniques ajustades. - El desenvolupament d'un mètode de sobreposició molecular, alternatiu a la regla de la màxima semblança. - Relacions Quantitatives Estructura-Activitat (QSAR, de l'anglès Quantitative Structure-Activity Relationships). L'objectiu en el camp dels MIDCOs és l'aplicació de funcions densitat ajustades, ideades inicialment per a abaratir els càlculs de MQSM, per a l'obtenció de MIDCOs. Així, es realitza un estudi gràfic comparatiu entre diferents funcions densitat ajustades a diferents bases amb densitats obtingudes de càlculs duts a terme a nivells ab initio. D'aquesta manera, l'analogia visual entre les funcions ajustades i les ab initio obtinguda en el ventall de representacions de densitat obtingudes, i juntament amb els valors de les mesures de semblança obtinguts prèviament, totalment comparables, fonamenta l'ús d'aquestes funcions ajustades. Més enllà del propòsit inicial, es van realitzar dos estudis complementaris a la simple representació de densitats, i són l'anàlisi de curvatura i l'extensió a macromolècules. La primera observació correspon a comprovar no només la semblança dels MIDCOs, sinó la coherència del seu comportament a nivell de curvatura, podent-se així observar punts d'inflexió en la representació de densitats i veure gràficament aquelles zones on la densitat és còncava o convexa. Aquest primer estudi revela que tant les densitats ajustades com les calculades a nivell ab initio es comporten de manera totalment anàloga. En la segona part d'aquest treball es va poder estendre el mètode a molècules més grans, de fins uns 2500 àtoms. Finalment, s'aplica part de la filosofia del MEDLA. Sabent que la densitat electrònica decau ràpidament al allunyar-se dels nuclis, el càlcul d'aquesta pot ser obviat a distàncies grans d'aquests. D'aquesta manera es va proposar particionar l'espai, i calcular tan sols les funcions ajustades de cada àtom tan sols en una regió petita, envoltant l'àtom en qüestió. Duent a terme aquest procés, es disminueix el temps de càlcul i el procés esdevé lineal amb nombre d'àtoms presents en la molècula tractada. En el tema dedicat a la sobreposició molecular es tracta la creació d'un algorisme, així com la seva implementació en forma de programa, batejat Topo-Geometrical Superposition Algorithm (TGSA), d'un mètode que proporcionés aquells alineaments que coincideixen amb la intuïció química. El resultat és un programa informàtic, codificat en Fortran 90, el qual alinea les molècules per parelles considerant tan sols nombres i distàncies atòmiques. La total absència de paràmetres teòrics permet desenvolupar un mètode de sobreposició molecular general, que proporcioni una sobreposició intuïtiva, i també de forma rellevant, de manera ràpida i amb poca intervenció de l'usuari. L'ús màxim del TGSA s'ha dedicat a calcular semblances per al seu ús posterior en QSAR, les quals majoritàriament no corresponen al valor que s'obtindria d'emprar la regla de la màxima semblança, sobretot si hi ha àtoms pesats en joc. Finalment, en l'últim tema, dedicat a la Semblança Quàntica en el marc del QSAR, es tracten tres aspectes diferents: - Ús de matrius de semblança. Aquí intervé l'anomenada matriu de semblança, calculada a partir de les semblances per parelles d'entre un conjunt de molècules. Aquesta matriu és emprada posteriorment, degudament tractada, com a font de descriptors moleculars per a estudis QSAR. Dins d'aquest àmbit s'han fet diversos estudis de correlació d'interès farmacològic, toxicològic, així com de diverses propietats físiques. - Aplicació de l'energia d'interacció electró-electró, assimilat com a una forma d'autosemblança. Aquesta modesta contribució consisteix breument en prendre el valor d'aquesta magnitud, i per analogia amb la notació de l'autosemblança molecular quàntica, assimilar-la com a cas particular de d'aquesta mesura. Aquesta energia d'interacció s'obté fàcilment a partir de programari mecanoquàntic, i esdevé ideal per a fer un primer estudi preliminar de correlació, on s'utilitza aquesta magnitud com a únic descriptor. - Càlcul d'autosemblances, on la densitat ha estat modificada per a augmentar el paper d'un substituent. Treballs previs amb densitats de fragments, tot i donar molt bons resultats, manquen de cert rigor conceptual en aïllar un fragment, suposadament responsable de l'activitat molecular, de la totalitat de l'estructura molecular, tot i que les densitats associades a aquest fragment ja difereixen degut a pertànyer a esquelets amb diferents substitucions. Un procediment per a omplir aquest buit que deixa la simple separació del fragment, considerant així la totalitat de la molècula (calcular-ne l'autosemblança), però evitant al mateix temps valors d'autosemblança no desitjats provocats per àtoms pesats, és l'ús de densitats de Forats de fermi, els quals es troben definits al voltant del fragment d'interès. Aquest procediment modifica la densitat de manera que es troba majoritàriament concentrada a la regió d'interès, però alhora permet obtenir una funció densitat, la qual es comporta matemàticament igual que la densitat electrònica regular, podent-se així incorporar dins del marc de la semblança molecular. Les autosemblances calculades amb aquesta metodologia han portat a bones correlacions amb àcids aromàtics substituïts, podent així donar una explicació al seu comportament. Des d'un altre punt de vista, també s'han fet contribucions conceptuals. S'ha implementat una nova mesura de semblança, la d'energia cinètica, la qual consisteix en prendre la recentment desenvolupada funció densitat d'energia cinètica, la qual al comportar-se matemàticament igual a les densitats electròniques regulars, s'ha incorporat en el marc de la semblança. A partir d'aquesta mesura s'han obtingut models QSAR satisfactoris per diferents conjunts moleculars. Dins de l'aspecte del tractament de les matrius de semblança s'ha implementat l'anomenada transformació estocàstica com a alternativa a l'ús de l'índex Carbó. Aquesta transformació de la matriu de semblança permet obtenir una nova matriu no simètrica, la qual pot ser posteriorment tractada per a construir models QSAR.

A Filter for Visual Tracking Based on a Stochastic Model for Driver Behaviour

A driver controls a car by turning the steering wheel or by pressing on the accelerator or the brake. These actions are modelled by Gaussian processes, leading to a stochastic model for the motion of the car. The stochastic model is the basis of a new filter for tracking and predicting the motion of the car, using measurements obtained by fitting a rigid 3D model to a monocular sequence of video images. Experiments show that the filter easily outperforms traditional filters.

Generic systolic array for genetic algorithms

The authors present a systolic design for a simple GA mechanism which provides high throughput and unidirectional pipelining by exploiting the inherent parallelism in the genetic operators. The design computes in O(N+G) time steps using O(N2) cells where N is the population size and G is the chromosome length. The area of the device is independent of the chromosome length and so can be easily scaled by replicating the arrays or by employing fine-grain migration. The array is generic in the sense that it does not rely on the fitness function and can be used as an accelerator for any GA application using uniform crossover between pairs of chromosomes. The design can also be used in hybrid systems as an add-on to complement existing designs and methods for fitness function acceleration and island-style population management

Results from the CERN pilot CLOUD experiment

During a 4-week run in October–November 2006, a pilot experiment was performed at the CERN Proton Synchrotron in preparation for the Cosmics Leaving OUtdoor Droplets (CLOUD) experiment, whose aim is to study the possible influence of cosmic rays on clouds. The purpose of the pilot experiment was firstly to carry out exploratory measurements of the effect of ionising particle radiation on aerosol formation from trace H2SO4 vapour and secondly to provide technical input for the CLOUD design. A total of 44 nucleation bursts were produced and recorded, with formation rates of particles above the 3 nm detection threshold of between 0.1 and 100 cm−3 s−1, and growth rates between 2 and 37 nm h−1. The corresponding H2SO4 concentrations were typically around 106 cm−3 or less. The experimentally-measured formation rates and H2SO4 concentrations are comparable to those found in the atmosphere, supporting the idea that sulphuric acid is involved in the nucleation of atmospheric aerosols. However, sulphuric acid alone is not able to explain the observed rapid growth rates, which suggests the presence of additional trace vapours in the aerosol chamber, whose identity is unknown. By analysing the charged fraction, a few of the aerosol bursts appear to have a contribution from ion-induced nucleation and ion-ion recombination to form neutral clusters. Some indications were also found for the accelerator beam timing and intensity to influence the aerosol particle formation rate at the highest experimental SO2 concentrations of 6 ppb, although none was found at lower concentrations. Overall, the exploratory measurements provide suggestive evidence for ion-induced nucleation or ion-ion recombination as sources of aerosol particles. However in order to quantify the conditions under which ion processes become significant, improvements are needed in controlling the experimental variables and in the reproducibility of the experiments. Finally, concerning technical aspects, the most important lessons for the CLOUD design include the stringent requirement of internal cleanliness of the aerosol chamber, as well as maintenance of extremely stable temperatures (variations below 0.1 _C).

Spectral functions of half-filled one-dimensional Hubbard rings with varying boundary conditions

We study the effect of varying the boundary condition on: the spectral function of a finite one-dimensional Hubbard chain, which we compute using direct (Lanczos) diagonalization of the Hamiltonian. By direct comparison with the two-body response functions and with the exact solution of the Bethe ansatz equations, we can identify both spinon and holon features in the spectra. At half-filling the spectra have the well-known structure of a low-energy holon band and its shadow-which spans the whole Brillouin zone-and a spinon band present for momenta less than the Fermi momentum. Features related to the twisted boundary condition are cusps in the spinon band. We show that the spectral building principle, adapted to account for both the finite system size and the twisted boundary condition, describes the spectra well in terms of single spinon and holon excitations. We argue that these finite-size effects are a signature of spin-charge separation and that their study should help establish the existence and nature of spin-charge separation in finite-size systems.

Excited vibrational state microwave spectra, structure, and force-field of trifluorosilane

The J = 2−1 microwave spectrum of six isotopic species of HSiF3 has been observed and assigned in excited states of five of the six fundamental vibrations. The assignment is based on relative intensities, double resonance experiments, and trial anharmonic force constant calculations. Analysis of the spectra leads to experimental values for five of the constants, all three l-doubling constants qt, one Fermi resonance constant φ233, and one zeta constant. The harmonic force field has been refined to all the available data on vibration wavenumbers, centrifugal distortion constants, and zeta constants. The cubic anharmonic force field has been refined to the data on and qt constants, using two models: a valence force model with two cubic force constants for SiH and SiF stretching, and a more sophisticated model. With the help of these calculations, the following equilibrium structure has been determined: re(SiH) = 1.4468(±5) Å, re(SiF) = 1.5624(±1) Å, HSiF = 110.64(±3)°,

Vibration-rotation spectra of monofluoroacetylene: 1700 to 7500 cm−1

High-resolution vibration-rotation spectra of monofluoroacetylene are reported for many bands in the region 1700 to 7500 cm−1. The spectra were observed on Nicolet 7199 and Bruker IFS 120 Fourier spectrometers, with resolutions of about 0.06 and 0.003 cm−1, respectively. About 130 bands have been observed in this region, of which about 80 have been rotationally analyzed. The assignment of vibrational labels to the higher energy levels is complicated by the effects of strong Fermi resonances, and many weak localized rotational resonances are observed.

Normal coordinates in the methyl halides

The potential‐energy functions found by Chang for the methyl halides have been put into valence‐type form and revised to eliminate inconsistencies and to accord with the true (nontetrahedral) geometry and the normal frequencies (corrected for Fermi resonance and anharmonicity). The resulting valence‐type force constants and normal coordinates are given for light (CH3) and heavy (CD3) chlorides, bromides, and iodides.

Overtone spectra and anharmonic resonances in the haloacetylenes

In this work preliminary results are reported on an extensive vibrational analysis of the molecules HCCX and DCCX with X = F and Cl, in which a number of anharmonic resonances are analysed. The importance of quartic anharmonic resonances in these molecular types is reported involving the effective constants K1244 and K1255, and these are related to the corresponding resonances in acetylene and its isotopomers. The correct analysis of Fermi resonances and quartic anharmonic resonances is important not only in reproducing the high overtone energy levels, but also in fitting the observed rotational constants, and in determining the αr constants and hence the equilibrium rotational constants. In this paper we revise our recent analysis of the equilibrium structure of HCCF in the light of these effects.