Introduzione alla Simulazione Quanto-Meccanica. di Materiali. Dalle molecole ai cristalli (4) Modulo di esercitazioni I.a parte

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1 Introduzione alla mulazione Quanto-Meccanica di Materiali Dalle molecole ai cristalli (4)! "#$ %& 1 Modulo di esercitazioni I.a parte 1) ttimizzazione della geometria e calcolo delle frequenze vibrazionali della molecola di acqua Confronto con dati calcolati e sperimentali tratti dalla letteratura 2) Dimero dell acqua: calcolo dell energia di interazione e effetto sulle frequenze vibrazionali Confronto con dati calcolati e sperimentali di letteratura Programma di calcolo: Gaussian98 (versione per windows) Visualizzazione dei dati: Moldraw e GaussView 2 1

2 2 : input di Gaussian98 2, ottimizzazione di geometria, RF/6-31G(d,p) # opt RF/6-31G(d,p) Test Molecola di acqua (sp) 0, Tipo di calcolo, livello di teoria e set base, altri comandi Riga bianca Titolo Riga bianca Carica e molteplicità di spin Numero atomico (o simbolo) e coordinate cartesiane di tutti gli atomi che compongono la molecola Riga bianca 3 Acqua molecola: principali dati calcolati Acqua RF/6-31G(d,p) Geometria (Å e gradi): d() = α() = Momento di dipolo (D): µ = Frequenze vibrazionali (cm -1 ): ω as () = 4262 ω s () = 4145 δ() = 1770 Energia totale: E[RF/6-31G(d,p)] = a.u. 4 2

3 Confronto con dati calcolati e sperimentali Nei lucidi seguenti vengono riportati in forma grafica i risultati calcolati e i dati sperimentali delle principali proprieta della molecola d acqua. Note per la lettura dei grafici: I dati riportati sono stati calcolati con diversi metodi di calcolo: a livello artree-fock e con metodi correlati post-f (MP2 e CCSD(T)), e metodi DFT (SVWN, BLYP, B3LYP). Le barre dei grafici corrispondono a set base di dimensioni crescenti e quindi di accuratezza via via maggiore. Ricordare che l accuratezza del metodo di calcolo cresce in modo sistematico da F a MP2 a CCSD(T). Per i metodi DFT l accuratezza viene valutata per confronto diretto con gli altri dati calcolati e con quelli sperimentali. I dati sono tratti dal testo: F. Jensen Introduction to computational chemistry Wiley, : geometria Å Distanza R() (Ang) 0, I dati sperimentali sono indicati nella figura sopra. 0,96 0,94 0,92 0,9 F MP2 CCSD(T) SVWN BLYP B3LYP Angolo (gradi) DFT cc-pvdz cc-pvtz cc-pvqz cc-pv5z cc-pv6z F MP2 CCSD(T) SVWN BLYP B3LYP DFT cc-pvdz cc-pvtz cc-pvqz cc-pv5z cc-pv6z 6 3

4 2 : momento di dipolo Esper.: D Momento di dipolo (Debye) cc-pvdz 2,1 2 1,9 1,8 1,7 1,6 F MP2 CCSD(T) SVWN BLYP B3LYP cc-pvtz cc-pvqz cc-pv5z cc-pv6z aug-cc-pvdz aug-cc-pvtz aug-cc-pvqz aug-cc-pv5z DFT 7 2 : frequenze armoniche Dati sperimentali Frequenza armonica δ() (cm-1) Esper cc-pvdz 1600 cc-pvtz Armon. (Anarm.) 1649 (1595) F MP2 CCSD(T) SVWN BLYP B3LYP cc-pvqz cc-pv5z 4200 Frequenza armonica ωsym (cm-1) Esper (3657) F MP2 CCSD(T) SVWN BLYP B3LYP cc-pvdz cc-pvtz cc-pvqz cc-pv5z 3943 (3756) Frequenza armonica ωas 3400 F MP2 CCSD(T) SVWN BLYP B3LYP Esper. cc-pvdz cc-pvtz cc-pvqz cc-pv5z 8 4

5 Il dimero dell acqua: ( 2 ) 2 Il dimero dell acqua è un semplice esempio di complesso intermolecolare che presenta un legame ad idrogeno. La capacità dell acqua di formare legami ad idrogeno è alla base delle sue caratteristiche proprietà chimico-fisiche L esistenza di un interazione intermolecolare provoca la perturbazione delle proprietà delle singole molecole d acqua che compongono il dimero In questo esempio vedremo come le proprietà molecolari cambiano passando dal monomero al dimero. L energia di interazione si calcola considerando la reazione: ( 2 ) 2 Quindi E=E[( 2 ) 2 ] 2. E[( 2 )] (1 a.u. = kcal/mol) 9 ( 2 ) 2 : input per G98 # opt RF/6-31G(d,p) Test Dimero dell'acqua (ottimizzazione di geometria) 0,

6 1 Acqua dimero: principali dati calcolati Dimero dell acqua Geometria (Å e gradi): d(1) = d(2) = d(3) = α(112) = α(323 ) = d(2 2) = R(1 2) = α(12 2) = Energia totale: E[RF/6-31G(d,p)] = a.u. RF/6-31G(d,p) Frequenze vibrazionali (cm -1 ): ω as (11) = 4238 ω s (12) = 4099 ω as (23) = 4255 ω s (23) = 4142 δ(112) = 1797 δ(323 ) = 1768 Momento di dipolo (D): µ = Acqua dimero: effetto dell interazione RF/6-31G(d,p) Dimero dell acqua Geometria (Å e gradi): d(1) = d(2) = d(3) = α(112) = 0.0 α(323 ) = 0.4 Energia di interazione (kcal/mol): E[RF/6-31G(d,p)] = Variazione frequenze vibrazionali (cm -1 ): ω as (11) = -24 ω s (12) = -46 ω as (23) = -7 ω s (23) = -3 δ(112) = 27 δ(323 ) = -2 Variazione momento di dipolo: µ =

7 Confronto con dati calcolati e sperimentali Nei lucidi seguenti vengono riportati in forma grafica i risultati calcolati e i dati sperimentali delle principali proprieta della molecola d acqua. Note per la lettura dei grafici: Valgono le note specificate nel caso della molecola d acqua L energia di interazione calcolata deve essere corretta per l errore di sovrapposizione del set base (BSSE) che deriva da un artefatto matematico dovuto all uso di un set base finito per esprimere la funzione d onda. Notare che nel calcolo dell energia di interazione, del lucido precedente, questo errore non è stato corretto. I dati sono tratti dal testo: W. Koch, C.M. olthausen A chemist s guide to density functional theory Wiley-VC, ( 2 ) 2 : geometria Å Il valore sperimentale di R - corretto per effetti vibrazionali PES è piatta. Elevata sensibilità al livello di calcolo LDA sovrastima. BLYP, B3LYP i funzionali migliori Deviation in R(-) from experiment (Angstrom) 0,1 0,05 0-0,05-0,1-0,15-0,2-0,25-0, G(d,p) G(d,p) aug-cc-pvdz aug-cc-pvtz aug-cc-pvqz F MP2 CCSD(T) SVWN BLYP B3LYP DFT 14 7

8 ( 2 ) 2 : energia di interazione LDA decisamente sovrastimata Funzionali ibridi e BLYP confrontabile con CCSD(T) L effetto del set base è minimo (Dunning set) Binding energy BSSE corrected (kcal/mol) Esperim. (5.4 kcal/mol) aug-cc-pvdz aug-cc-pvtz aug-cc-pvqz F MP2 CCSD(T) SVWN BLYP B3LYP B3PW91 DFT 15 ( 2 ) 2 : BSSE E un errore dovuto ad un artefatto matematico dovuto all uo di un set base di dimensione finita Importante a livello MP2 e CCSD(T) Trascurabile per tutti i funzionali (Dunning set) BSSE (kcal/mol) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 aug-cc-pvdz aug-cc-pvtz aug-cc-pvqz F MP2 CCSD(T) SVWN BLYP B3LYP B3PW91 DFT 16 8

9 ( 2 ) 2 : spostamento frequenza di stiramento d SVWN (LDA) completamente sovrastimato Corrispondente allungamento del legame d Spostamento armonico della frequenza di stiramento (in cm-1) F MP2 MP4 SVWN BLYP B3LYP Intervallo dati sperimentali aug-cc-pvtz DFT 17 Modulo di esercitazioni II.a parte In questa esercitazione affronteremo un esempio esplicito di modellizzazione di un materiale e delle sue proprietà. Il caso in esame sarà la modellizzazione di un sito di adsorbimento superficiale della superficie di materiali a base di silice e, in particolare, della silice amorfa. Partiremo dallo schema proposto di esperimento al calcolatore. La fase principale in questa esercitazione sarà la definizione di un semplice modello strutturale attraverso un approccio a cluster: la molecola di silanolo ( 3 ). Dato il modello strutturale se ne studierà l interazione con una molecola di ammoniaca come esempio di fenomeno di adsorbimento superficiale. I dati calcolati di geometria e frequenze vibrazionali verranno confrontati con dati calcolati e sperimentali tratti dalla letteratura Programma di calcolo: Gaussian98 (versione per windows) Visualizzazione dei dati: Moldraw e GaussView 18 9

10 Studio di materiali: esperimento al calcolatore 1) Formulazione del modello strutturale: dal sistema reale al sistema modello 2) Scelta del modello teorico: dall hamiltoniana alla soluzione del problema quantistico 3) Dalla soluzione del problema quantistico all estrazione dell informazione e al confronto con il sistema reale: Proprietà calcolate o da da calcolare Proprietà osservate o da da osservare Interpretazione 19 Modello strutturale: Approccio a cluster Nr. di atomi cresce rapidamente con le dimensioni del cluster Numero elevato di atomi di terminali Difficile conservare nella struttura del cluster la memoria del sistema reale possono usare metodi QM molecolari standard (MP2, CCSD, DFT) 20 10

11 Superficie di materiali a base di silice Amorphous silica MCM-41 (Mesoporous materials) β-cristobalite licalite (Microporous materials) 21 Superficie della silice amorfa geminali interagenti vicinali isolated Le caratteristiche vibrazionali degli sono state studiate bene usando la spettroscopia IR 22 11

12 Evidenza spettroscopica IR degli ossidrili superificiali Superficie della silice amorfa 373 K geminali 573 K vicinali interagenti IR 973 K Possibili modelli a cluster isolati silossanico ponte Minimale Possiamo riprodurre in in modo qualitativo I I dati dati sperimentali? A goccia 23 Costruzione di un modello strutturale a cluster Usando Moldraw: Partiamo dalla struttura dell α-quarzo Costruiamo la cella elementare e da questa una supercella Ritagliamo un cluster di composizione: 4 Sostituiamo tre atomi di con Inseriamo un atomo di legato all ossigeno a formare un gruppo ossidrilico () Il cluster ottenuto è la molecola del silanolo: 3 È il più piccolo modello strutturale della superficie si materiali a base di silice Viene anche detto cluster minimale lanolo Minimale 24 12

13 α-quarzo: input per MLDRAW α-quarzo TITLE Quartz (alpha) SYMMETRY LABEL P3121 NUMBER 152 CELL CRD lanolo: : input per G98 Modello strutturale lanolo Modello teorico RF/6-31G(d,p) # opt RF/6-31G(d,p) Test lanolo (SIL) (ottimizzazione di geometria) 0,

14 Modello strutturale: cluster minimale Modello strutturale lanolo Modello teorico RF/6-31G(d,p) Estrazione dell informazione dati calcolati Dati strutturali principali d()= d()= α()= Energia tot. geom. ottimizzata F/6-31G(d,p)= artree Frequenze vibrazionali tipiche ω() (stiramento legame ) = 4230 ω() (stiramento legame ) = 903 δ() (bending ) = 951 τ() (torsionale fuori dal piano) = Superficie della silice: confronto con dati calcolati e sperimentali Nei lucidi seguenti vengono riportati altri possibili modelli a cluster di dimensione e topologia differente. Nel caso di un modello a goccia, viene presentato il confronto tra i dati calcolati e quelli sperimentali per le frequenze vibrazionali tipiche degli ossidrili della superficie di materiali a base di silice. Note per la lettura dei grafici: I dati sono calcolati a livello B3-LYP/DZP Per la frequenza di stiramento del legame sono stati riportati sia il dato anarmonico che armonico

15 Altri modelli strutturali: cluster minimali SIL FSL F F F GEM AS Diversi gruppi saturatori (, F, ) Possibilità di modulare gli effetti di polarizzazione Come è possibile migliorarli (dimensione, topologia)? 29 Altri modelli strutturali: cluster ad albero shell-0 shell-1 shell-2 shell-3 Crescita per ramificazione progressiva Troppi gradi di libertà conformazionali 30 15

16 Altri modelli strutturali: cluster a goccia minimo numero di saturazioni struttura rigida presenza di anelli e gabbie (zeoliti) 31 Modello strutturale: approccio a cluster Modello a goccia ν(-) δ(--) ν(-) τ(-) Expt 1, F. Boccuzzi et al., J. Phys. Chem. 82 (1978) B.A. Morrow, and A.J. McFarlan, J. Phys. Chem. 96 (1992) 1395 Valore armonico stimato Valori in cm -1 metodo di calcolo B3-LYP/DZP con modelli a goccia La presenza di anelli e gabbie è rappresentativa delle unità strutturali secondarie di silice e zeoliti 32 16

17 Modello strutturale periodico: EDI(100) slab Modello a cluster Cella elementare 3D Edingtonite Edingtonitezeolite naturale Elevata simmetria: P(-4)m2 Cella elementare piccola: ( 2 ) 5 33 Dall approccio a cluster a quello periodico: EDI(100) slab Edingtonite bulk bulk densità di superficiali (~2 /nm 2 ) come quella della silice amorfa deidratata Energia superficiale piccola, nessuna ricostruzione o rilassamento superficiale Confronto diretto con modelli a cluster Isolated on on EDI(100) 34 17

18 Dall approccio a cluster a quello periodico: EDI(100) slab SIL F: 4076 B3LYP: 3730 A B 1. Frequenze F sovrastimate 2. B3LYP in buon accordo con il dato sperimentale 3. Risultati indipendenti dallo spessore dello slab 4. Le frequenze di stiramento degli slab e dei modelli a cluster sono molto vicine EDIxS1 Dato sperimentale per la silice amorfa: ω 01 () = 3749 cm -1 EDIxS2 35 Dall approccio a cluster a quello periodico: EDI(001) slab Edingtonite bulk bulk Geminal on on EDI(001) Interacting on on EDI(001) 36 18

19 Confronto spettro IR simulato e sperimentale 37 Modelli di silice idratata S L S IS-W1 IS-W2 IS-W3 S L I S F L GEM-W1 GEM-W2 INT-W 38 19

20 Confronto spettro IR simulato e sperimentale 39 Evidenza sperimentale di complessi superficiali legati ad Spettroscopia Infrarossa N free Microcalorimetria Spostamento della frequenza di stiramento : ν() = -650 cm -1 (T = 298K) ν() = -950 cm -1 (T = 4K) Calore di adsorbimento: isosterico: -37 kj/mol microcalorimetrico: -45 kj/mol Possiamo riprodurre in in modo qualitativo i i dati dati sperimentali? 40 20

21 Ammoniaca: input per G98 Ammoniaca RF/6-31G(d,p) # opt RF/6-31G(d,p) Test symm=loose Ammoniaca (N3) (ottimizzazione di geometria) 0, Modello strutturale: cluster minimale Ammoniaca RF/6-31G(d,p) Dati strutturali principali (Å, gradi) d(n)= α(n)= Energia tot. geom. ottimizzata (a.u.) F/6-31G(d,p)= Frequenze vibrazionali tipiche (cm -1 ) ω s (N) (stiramento legame N simmetrico) = 3704 ω as (N) (stiramento legame N asimmetrico) = 3841 δ(n) (bending N) = 1810 γ(n3) (modo a ombrello) =

22 Complesso silanolo/ammoniaca: input per G98 lanolo/n 3 RF/6-31G(d,p) # opt RF/6-31G(d) Test lanolo/n3 (ottimizzazione di geometria) 0, silanolo/ammoniaca: dati di geometria e energia lanolo/n 3 RF/6-31G(d,p) Dati strutturali principali (Å, gradi) d()= d( N)= d(n)= (1.0013) α(n)= d()= α()= Energia tot. geom. ottimizzata (a.u.) F/6-31G(d,p)=

23 silanolo/ammoniaca: dati di frequenze vibrazionali lanolo/n 3 RF/6-31G(d,p) Frequenze vibrazionali tipiche (cm -1 ) ω() (stiramento legame ) = 3955 ω() (stiramento legame ) = 959 δ() (bending ) = 1159 τ() (torsionale fuori dal piano) = 833 ω s (N) (stiramento legame N simmetrico) = 3705 ω as (N) (stiramento legame N asimmetrico) = 3840 δ(n) (bending N) = 1805 γ(n 3 ) (modo a ombrello) = silanolo/ammoniaca: effetto dell interazione lanolo/n 3 RF/6-31G(d,p) Energia di interazione L energia di interazione si calcola considerando la reazione: SIL + N 3 SIL/N 3 Quindi (1 a.u. = kj/mol): E=E[SIL/N 3 ] E[SIL]] - E[N 3 ] Il risultato che si ottiene a livello di calcolo RF/6-31G(d,p) è di 35.6 kj/mol. Ricordare che il dato non è corretto per il BSSE. Spostamento della frequenza di stiramento La frequenza ω() (armonica) passa da 4230 cm -1 per il silanolo isolato a 3955 cm -1 nel caso del complesso SIL/N 3, con uno spostamento di 275 cm

24 Superficie della silice in interazione con N 3 : confronto con dati calcolati e sperimentali Nei lucidi seguenti viene presentato il confronto tra i dati calcolati e quelli sperimentali per l interazione dell ammoniaca con gli ossidrili superficiali della silice usando modelli a cluster di dimensione crescente. Infine, vengono riportati alcuni risultati calcolati usando sia modelli a cluster che modelli periodici. Note per la lettura dei dati: Nel confronto tra l approccio a cluster e quello periodico, i dati sono calcolati sia a livello artree-fock che B3-LYP. Notare che il metodo B3LYP è un metodo DFT ed è più accurato di quello F. Per la frequenza di stiramento del legame è stato riportato solo il dato calcolato anarmonico. Per lo spostamenti della frequenza di stiramento del legame sono stati riportati sia il dato anarmonico che armonico. 47 Interazione con N 3 : effetto del cluster F F F Cluster Exp.t E E* /45 ω e () ω 01 () Miglior dato stimato 29±3 kj/mol 841±69 cm -1 E: energia di interazione B3LYP/DZP (kj/mol); E*: energia di interazione B3LYP/aug-cc-pVDZ ω e e ω 01 : spostamento della frequenza di stiramento armonico e anarmonico (cm -1 ) 48 24

25 Dall approccio a cluster a quello periodico: EDI(100) slab SIL F: 4076 B3LYP: 3730 A B 1. Frequenze F sovrastimate 2. B3LYP in buon accordo con il dato sperimentale 3. Risultati indipendenti dallo spessore dello slab 4. Le frequenze di stiramento degli slab e dei modelli a cluster sono molto vicine EDIxS1 Dato sperimentale per la silice amorfa: ω 01 () = 3749 cm -1 EDIxS2 49 Interazione con N 3 : energia di interazione 6-31G(d,p)!"# Aumentando la dimensione del set base $%%$% 50 25

26 Interazione con N 3 : frequenza anarmonica N & E 0 E 1 E 2 ω 01 ω 02 ω e x e ω 01 =ω 01 (/N)- ω 01 () Dati in cm -1 ω ω % ω ' ω ' ω ( ω ( ' Stima finale ottenuta tenendo conto dell effetto del set base, accoppiamenti meccanici, BSSE, limitazioni metodo di calcolo (B3-LYP) 51 26