A density functional theory study on the interaction between chemisorbed CO and S on Rh(111)

Density functional theory calculations are carried out for Rh(111)-p(2 x 2)-CO, Rh(111)-p(2 x 2)-S, Rh(111)-p(2 x 2)-(S + CO), Rh(111)-p(3 x 3)-CO, Rh(111)-p(3 x 3)-S and Rh(111)-p(3 x 3)-(S + CO), aiming to shed some light on the S poisoning effect. Geometrical structures of these systems are optimized and chemisorption energies are determined. The presence of S does not significantly influence the geometrical structure and chemisorption energy of CO and vice versa, which strongly suggests that the interaction between CO and S on the Rh(111) surface is mainly short-range in nature. The long range electronic effect for the dramatic attenuation of the CO methanation activity by sulfur is likely to be incorrect. It is suggested that an ensemble effect may be dominant in the catalytic deactivation. (C) 1999 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

CO oxidation on Pt(111):An ab initio density functional theory study

CO oxidation on Pt(111) is studied with ab initio density functional theory. The low energy pathway and transition state for the reaction are identified. The key event is the breaking of an O-metal bond prior to the formation of a chemisorbed CO2 molecule. The pathway can be rationalized in terms of competition of the O and C atoms for bonding with the underlying surface, and the predominant energetic barrier is the strength of the O-metal bond.

GRADIENT CORRECTIONS IN DENSITY-FUNCTIONAL THEORY CALCULATIONS FOR SURFACES - CO ON PD(110)

Ab initio total energy calculations have been performed for CO chemisorption on Pd(110). Local density approximation (LDA) calculations yield chemisorption energies which are significantly higher than experimental values but inclusion of the generalised gradient approximation (GGA) gives better agreement. In general, sites with higher coordination of the adsorbate to surface atoms lead to a larger degree of overbinding with LDA, and give larger corrections with GGA. The reason is discussed using a first-order perturbation approximation. It is concluded that this may be a general failure of LDA for chemisorption energy calculations. This conclusion may be extended to many surface calculations, such as potential energy surfaces for diffusion.

Elucidating the mechanism and active site of the cyclohexanol dehydrogenation on copper-based catalysts: A density functional theory study

Abstract The dehydrogenation of cyclohexanol to cyclohexanone is very important in the manufacture of nylon. Copper-based catalysts are the most popular catalysts for this reaction, and on these catalysts the reaction mechanism and active site are in debate. In order to elucidate the mechanism and active site of the cyclohexanol dehydrogenation on copper-based catalysts, density functional theory with dispersion corrections were performed on up to six facets of copper in two different oxidation states: monovalent copper and metallic copper. By calculating the surface energies of these facets, Cu(111) and Cu2O(111) were found to be the most stable facets for metallic copper and for monovalent copper, respectively. On these two facets, all the possible elementary steps in the dehydrogenation pathway of cyclohexanol were calculated, including the adsorption, dehydrogenation, hydrogen coupling and desorption. Two different reaction pathways for dehydrogenation were considered on both surfaces. It was revealed that the dehydrogenation mechanisms are different on these two surfaces: on Cu(111) the hydrogen belonging to the hydroxyl is removed first, then the hydrogen belonging to the carbon is subtracted, while on Cu2O(111) the hydrogen belonging to the carbon is removed followed by the subtraction of the hydrogen in the hydroxyl group. Furthermore, by comparing the energy profiles of these two surfaces, Cu2O(111) was found to be more active for cyclohexanol dehydrogenation than Cu(111). In addition, we found that the coordinatively unsaturated copper sites on Cu2O(111) are the reaction sites for all the steps. Therefore, the coordinatively unsaturated copper site on Cu2O(111) is likely to be the active site for cyclohexanol dehydrogenation on the copper-based catalysts.

Some Attempts in the Rational Design of Heterogeneous Catalysts Using Density Functional Theory Calculations

Heterogeneous catalysis is of great importance both industrially and academically. Rational design of heterogeneous catalysts is highly desirable, and the computational screening and design method is one of the most promising approaches for rational design of heterogeneous catalysts. Herein, we review some attempts towards the rational catalyst design using density functional theory from our group. Some general relationships and theories on the activity and selectivity are covered, such as the Brønsted–Evans–Polanyi relation, volcano curves/surfaces, chemical potentials, optimal adsorption energy window and energy descriptor of selectivity. Furthermore, the relations of these relationships and theories to the rational design are discussed, and some examples of computational screening and design method are given.

Dielectrics in a time-dependent electric field: a real-time approach based on density-polarization functional theory

In the presence of a (time-dependent) macroscopic electric field the electron dynamics of dielectrics cannot be described by the time-dependent density only. We present a real-time formalism that has the density and the macroscopic polarization P as key quantities. We show that a simple local function of P already captures long-range correlation in linear and nonlinear optical response functions. Specifically, after detailing the numerical implementation, we examine the optical absorption, the second- and third-harmonic generation of bulk Si, GaAs, AlAs and CdTe at different level of approximation. We highlight links with ultranonlocal exchange-correlation functional approximations proposed within linear response time-dependent density functional theory framework.

Network mechanisms of intentional learning

The ability to learn new tasks rapidly is a prominent characteristic of human behaviour. This ability relies on flex- ible cognitive systems that adapt in order to encode temporary programs for processing non-automated tasks. Previous functional imaging studies have revealed distinct roles for the lateral frontal cortices (LFCs) and the ven- tral striatum in intentional learning processes. However, the human LFCs are complex; they house multiple dis- tinct sub-regions, each of which co-activates with a different functional network. It remains unclear how these LFC networks differ in their functions and how they coordinate with each other, and the ventral striatum, to support intentional learning. Here, we apply a suite of fMRI connectivity methods to determine how LFC networks activate and interact at different stages of two novel tasks, in which arbitrary stimulus-response rules are learnt either from explicit instruction or by trial-and-error. We report that the networks activate en masse and in synchrony when novel rules are being learnt from instruction. However, these networks are not homogeneous in their functions; instead, the directed connectivities between them vary asymmetrically across the learning timecourse and they disengage from the task sequentially along a rostro-caudal axis. Furthermore, when negative feedback indicates the need to switch to alternative stimulus–response rules, there is additional input to the LFC networks from the ventral striatum. These results support the hypotheses that LFC networks interact as a hierarchical system during intentional learning and that signals from the ventral striatum have a driving influence on this system when the internal program for processing the task is updated.

Properties of functional brain networks correlate with frequency of psychogenic non-epileptic seizures.

Abnormalities in the topology of brain networks may be an important feature and etiological factor for psychogenic non-epileptic seizures (PNES). To explore this possibility, we applied a graph theoretical approach to functional networks based on resting state EEGs from 13 PNES patients and 13 age- and gender-matched controls. The networks were extracted from Laplacian-transformed time-series by a cross-correlation method. PNES patients showed close to normal local and global connectivity and small-world structure, estimated with clustering coefficient, modularity, global efficiency, and small-worldness (SW) metrics, respectively. Yet the number of PNES attacks per month correlated with a weakness of local connectedness and a skewed balance between local and global connectedness quantified with SW, all in EEG alpha band. In beta band, patients demonstrated above-normal resiliency, measured with assortativity coefficient, which also correlated with the frequency of PNES attacks. This interictal EEG phenotype may help improve differentiation between PNES and epilepsy. The results also suggest that local connectivity could be a target for therapeutic interventions in PNES. Selective modulation (strengthening) of local connectivity might improve the skewed balance between local and global connectivity and so prevent PNES events.

Mutism and Amnesia following High-Voltage Electrical Injury: Psychogenic Symptomatology Triggered by Organic Dysfunction?

Background: Mutism and dense retrograde amnesia are found both in organic and dissociative contexts. Moreover, dissociative symptoms may be modulated by right prefrontal activity. A single case, M.R., developed left hemiparesis, mutism and retrograde amnesia after a high-voltage electric shock without evidence of lasting brain lesions. M.R. suddenly recovered from his mutism following a mild brain trauma 2 years later. Methods: M.R.'s neuropsychological pattern and anatomoclinical correlations were studied through (i) language and memory assessment to characterize his deficits, (ii) functional neuroimaging during a standard language paradigm, and (iii) assessment of frontal and left insular connectivity through diffusion tractography imaging and transcranial magnetic stimulation. A control evaluation was repeated after recovery. Findings: M.R. recovered from the left hemiparesis within 90 days of the accident, which indicated a transient right brain impairment. One year later, neurobehavioral, language and memory evaluations strongly suggested a dissociative component in the mutism and retrograde amnesia. Investigations (including MRI, fMRI, diffusion tensor imaging, EEG and r-TMS) were normal. Twenty-seven months after the electrical injury, M.R. had a very mild head injury which was followed by a rapid recovery of speech. However, the retrograde amnesia persisted. Discussion: This case indicates an interaction of both organic and dissociative mechanisms in order to explain the patient's symptoms. The study also illustrates dissociation in the time course of the two different dissociative symptoms in the same patient.

Intra- and inter-hemispheric interactions in somatosensory processing of pain : dynamical causal modeling analysis of fMRI data

La douleur est une expérience perceptive comportant de nombreuses dimensions. Ces dimensions de douleur sont inter-reliées et recrutent des réseaux neuronaux qui traitent les informations correspondantes. L’élucidation de l'architecture fonctionnelle qui supporte les différents aspects perceptifs de l'expérience est donc une étape fondamentale pour notre compréhension du rôle fonctionnel des différentes régions de la matrice cérébrale de la douleur dans les circuits corticaux qui sous tendent l'expérience subjective de la douleur. Parmi les diverses régions du cerveau impliquées dans le traitement de l'information nociceptive, le cortex somatosensoriel primaire et secondaire (S1 et S2) sont les principales régions généralement associées au traitement de l'aspect sensori-discriminatif de la douleur. Toutefois, l'organisation fonctionnelle dans ces régions somato-sensorielles n’est pas complètement claire et relativement peu d'études ont examiné directement l'intégration de l'information entre les régions somatiques sensorielles. Ainsi, plusieurs questions demeurent concernant la relation hiérarchique entre S1 et S2, ainsi que le rôle fonctionnel des connexions inter-hémisphériques des régions somatiques sensorielles homologues. De même, le traitement en série ou en parallèle au sein du système somatosensoriel constitue un autre élément de questionnement qui nécessite un examen plus approfondi. Le but de la présente étude était de tester un certain nombre d'hypothèses sur la causalité dans les interactions fonctionnelle entre S1 et S2, alors que les sujets recevaient des chocs électriques douloureux. Nous avons mis en place une méthode de modélisation de la connectivité, qui utilise une description de causalité de la dynamique du système, afin d'étudier les interactions entre les sites d'activation définie par un ensemble de données provenant d'une étude d'imagerie fonctionnelle. Notre paradigme est constitué de 3 session expérimentales en utilisant des chocs électriques à trois différents niveaux d’intensité, soit modérément douloureux (niveau 3), soit légèrement douloureux (niveau 2), soit complètement non douloureux (niveau 1). Par conséquent, notre paradigme nous a permis d'étudier comment l'intensité du stimulus est codé dans notre réseau d'intérêt, et comment la connectivité des différentes régions est modulée dans les conditions de stimulation différentes. Nos résultats sont en faveur du mode sériel de traitement de l’information somatosensorielle nociceptive avec un apport prédominant de la voie thalamocorticale vers S1 controlatérale au site de stimulation. Nos résultats impliquent que l'information se propage de S1 controlatéral à travers notre réseau d'intérêt composé des cortex S1 bilatéraux et S2. Notre analyse indique que la connexion S1→S2 est renforcée par la douleur, ce qui suggère que S2 est plus élevé dans la hiérarchie du traitement de la douleur que S1, conformément aux conclusions précédentes neurophysiologiques et de magnétoencéphalographie. Enfin, notre analyse fournit des preuves de l'entrée de l'information somatosensorielle dans l'hémisphère controlatéral au côté de stimulation, avec des connexions inter-hémisphériques responsable du transfert de l'information à l'hémisphère ipsilatéral.

An fMRI study of emotional episodic memory in schizophrenia : effects of diagnosis and sex

La schizophrénie est une psychopathologie largement hétérogène caractérisée entre autres par d’importantes défaillances dans le fonctionnement cognitif et émotionnel. En effet, par rapport à la population générale, forte proportion de ces individus présentent une mémoire déficitaire pour les événements émotionnels. À ce jour, le peu d’études qui se sont penchées sur la mémoire émotionnelle épisodique dans la schizophrénie, ont uniquement mis l’emphase sur l'effet de la valence des stimuli (c’est-à-dire le caractère agréable ou désagréable du stimulus). Toutefois, aucune n’a investigué spécifiquement l’intensité de la réaction aux stimuli (c’est-à-dire une faible par rapport à une forte réaction) malgré quantité de preuves faisant montre, dans la population générale, de différents processus de mémoire émotionnelle pour des stimuli suscitant une forte réaction par rapport à ceux évoquant une faible réponse. Ce manque est d’autant plus flagrant étant donné le nombre d’études ayant rapporté un traitement et un encodage atypiques des émotions spécifiquement au niveau de l’intensité de la réponse subjective chez des patients atteints de schizophrénie. Autre fait important, il est étonnant de constater l’absence de recherches sur les différences de sexe dans la mémoire émotionnelle étant donné l’ensemble des divergences entre hommes et femmes atteints de schizophrénie au niveau de la prévalence, de l’âge de diagnostic, de la manifestation clinique, de l’évolution de la maladie, de la réponse au traitement et des structures cérébrales. Pour pallier à ces lacunes, ce mémoire a évalué : (1) l’effet de la valence des stimuli et de l'intensité de la réaction émotionnelle au niveau des fonctions cérébrales correspondant à la mémoire émotionnelle chez des patients atteints de schizophrénie comparativement à des participants sains; et (2) les possibles différences de sexe dans les processus cérébraux impliqués dans la mémoire émotionnelle chez des patients atteints de schizophrénie par rapport à des volontaires sains. Ainsi, la première étude a comparé les activations cérébrales de patients atteints de schizophrénie par rapport à des participants sains au cours d’une tâche de mémoire émotionnelle dont les stimuli variaient à la fois au niveau de la valence et de l'intensité de la réaction subjective. 37 patients atteints de schizophrénie ainsi que 37 participants en bonne santé ont effectué cette tâche de mémoire émotionnelle lors d’une session d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Pour toutes les conditions étudiées (images négatives, positives, de faible et de forte intensité), le groupe atteint de schizophrénie a performé significativement moins bien que les volontaires sains. Comparativement aux sujets sains, ils ont montré moins d’activations cérébrales dans les régions limbiques et préfrontales lors de la reconnaissance des images négatives, mais ont présenté un patron d'activations similaire à celui des participants sains lors de la reconnaissance des images chargées positivement (activations observées dans le cervelet, le cortex temporal et préfrontal). Enfin, indépendamment de la valence des stimuli, les deux groupes ont démontré une augmentation des activations cérébrales pour les images de forte intensité par rapport à celles de plus faible intensité. La seconde étude a quant à elle exploré les différences de sexe potentielles au niveau des activations cérébrales associées à la mémoire émotionnelle dans la schizophrénie et dans la population en général. Nous avons comparé 41 patients atteints de schizophrénie (20 femmes) à 41 participants en bonne santé (19 femmes) alors qu’ils effectuaient la même tâche de mémoire émotionnelle mentionnée plus haut. Or, pour cette étude, nous nous sommes concentrés sur les conditions suivantes : la reconnaissance d’images positives, négatives et neutres. Nous n'avons pas observé de différences entre les hommes et les femmes au niveau des performances à la tâche de mémoire pour aucune des conditions. En ce qui a trait aux données de neuroimagerie, comparativement aux femmes en bonne santé, celles atteintes de schizophrénie ont montré une diminution des activations cérébrales dans les régions corticales du système limbique (p. ex. cortex cingulaire moyen) et dans les régions sous-corticales (p. ex. amygdale) lors de la reconnaissance d'images négatives. Pour ce qui est de la condition positive, elles ont présenté, comparativement au groupe de femmes saines, des diminutions d’activations spécifiquement dans le cervelet ainsi que dans le gyrus frontal inférieur et moyen. Les hommes atteints de schizophrénie, eux, ont montré une augmentation d’activations par rapport aux hommes sains dans le gyrus préfrontal médian lors de la reconnaissance des stimuli négatifs ; ainsi que dans les régions pariétales, temporales et limbiques lors de la reconnaissance des stimuli positifs. Dans un autre ordre d’idées, notre analyse corrélationnelle a mis en évidence, chez les femmes, un lien significatif entre l’activité cérébrale et les symptômes au cours de la mémoire des stimuli positifs, alors que chez les hommes atteints schizophrénie, ce lien a été observé au cours de la mémoire des stimuli négatifs. Bref, l’ensemble de nos résultats suggère, chez les patients atteints de schizophrénie, un fonctionnement cérébral atypique spécifiquement lors de la reconnaissance d’images négatives, mais un fonctionnement intact lors de la reconnaissance de stimuli positifs. De plus, nous avons mis en évidence la présence de différences de sexe dans les activations cérébrales associées à la mémoire épisodique émotionnelle soulignant ainsi l'importance d’étudier séparément les hommes et les femmes atteints de schizophrénie dans le cadre de recherches sur les plans cognitif et émotionnel.

Transfert et traitement de l’information visuomotrice dans le cerveau autiste : intégrité et hétérogénéité

En plus de la triade de symptômes caractérisant l’autisme, ce trouble neurodévelopmental est associé à des particularités perceptives et motrices et, au niveau cérébral, par une connectivité atypique entre les différentes régions du cerveau. Au niveau anatomique, un des résultats les plus communs est la réduction du corps calleux. Toutefois, des effets directs de cette altération anatomique sur l’intégrité et l’efficacité du transfert interhémisphérique restent à être démontrés. Pour la présente thèse, trois différentes études investiguent différents aspects du traitement de l’information visuomotrice : le transfert interhémisphérique entre les régions bilatérales motrices et visuelles, la vitesse de traitement perceptif, et les habiletés motrices visuellement guidées. Dans la première étude, le paradigme visuomoteur de Poffenberger a été utilisé pour mesurer le temps de transfert interhémisphérique (TTIH). L’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) et structurale ainsi que l’imagerie de diffusion ont aussi été utilisées pour étudier les réseaux cérébraux impliqués dans la tâche de Poffenberger. Les autistes ont été comparés à un groupe d’individus à développement typique. La deuxième étude avait pour but d’investiguer la vitesse de traitement perceptif en autisme. Dans la troisième étude, deux tâches motrices (Purdue et Annett) ont été utilisées pour examiner la nature et l’importance des déficits moteurs. La tâche de Purdue inclut deux conditions bimanuelles utilisées comme indice additionnel d’intégration interhémisphérique. Dans les études 2 et 3, le groupe d’autistes a aussi été comparé à un groupe d’individus Asperger afin de voir si, et comment, les deux sous-groupes peuvent être distingués en ce qui concerne le traitement visuel et les déficits moteurs. Aucune différence entre les groupes n’a été observée en termes de TTIH. Les résultats de l’étude IRMf révèlent des différences d’activations corticales en lien avec la tâche de Poffenberger. Dans les groupes d’autistes et de typiques, l’efficacité de la communication interhémisphérique était associée à différentes portions du corps calleux (frontales/motrices chez les typiques, postérieures/visuelles chez les autistes). De façon globale, les résultats de cette étude démontrent un patron atypique de transfert interhémisphérique de l’information visuomotrice en autisme, reflétant un rôle plus important des mécanismes visuels dans le comportement sensorimoteur possiblement en lien avec une réorganisation cérébrale. Les résultats des études comportementales 2 et 3 indiquent que les autistes excellent dans la tâche mesurant la vitesse de traitement perceptif alors que les Asperger accomplissent la tâche à des niveaux similaires à ceux des typiques. La nature des déficits moteurs diffère aussi entre les deux sous-groupes; la dextérité et la coordination bimanuelle est affectée chez les individus Asperger mais pas chez les autistes, qui eux sont plus atteints au niveau de la rapidité unimanuelle. Les sous-groupes d’autistes et de syndrome d’Asperger sont caractérisés par des profils cognitifs différents dont les particularités perceptives et motrices font partie intégrante.

Systematic construction of models for the exchange hole of density functional theory.

Dans ce travail, nous étendons le nombre de conditions physiques actuellement con- nues du trou d’échange exact avec la dérivation de l’expansion de quatrième ordre du trou d’échange sphérique moyenne exacte. Nous comparons les expansions de deux- ième et de quatrième ordre avec le trou d’échange exact pour des systèmes atomiques et moléculaires. Nous avons constaté que, en général, l’expansion du quatrième ordre reproduit plus fidèlement le trou d’échange exact pour les petites valeurs de la distance interélectronique. Nous démontrons que les ensembles de base de type gaussiennes ont une influence significative sur les termes de cette nouvelle condition, en étudiant com- ment les oscillations causées par ces ensembles de bases affectent son premier terme. Aussi, nous proposons quatre modèles de trous d’échange analytiques auxquels nous imposons toutes les conditions actuellement connues du trou d’échange exact et la nou- velle présentée dans ce travail. Nous évaluons la performance des modèles en calculant des énergies d’échange et ses contributions à des énergies d’atomisation. On constate que les oscillations causeés par les bases de type gaussiennes peuvent compromettre la précision et la solution des modèles.

Vertically coupled quantum dots in the local spin-density functional theory

We have investigated the structure of double quantum dots vertically coupled at zero magnetic field within local-spin-density functional theory. The dots are identical and have a finite width, and the whole system is axially symmetric. We first discuss the effect of thickness on the addition spectrum of one single dot. Next we describe the structure of coupled dots as a function of the interdot distance for different electron numbers. Addition spectra, Hund's rule, and molecular-type configurations are discussed. It is shown that self-interaction corrections to the density-functional results do not play a very important role in the calculated addition spectra

Freezing of 4He and its liquid-solid interface from density functional theory

We show that, at high densities, fully variational solutions of solidlike types can be obtained from a density functional formalism originally designed for liquid 4He . Motivated by this finding, we propose an extension of the method that accurately describes the solid phase and the freezing transition of liquid 4He at zero temperature. The density profile of the interface between liquid and the (0001) surface of the 4He crystal is also investigated, and its surface energy evaluated. The interfacial tension is found to be in semiquantitative agreement with experiments and with other microscopic calculations. This opens the possibility to use unbiased density functional (DF) methods to study highly nonhomogeneous systems, like 4He interacting with strongly attractive impurities and/or substrates, or the nucleation of the solid phase in the metastable liquid.