Dinámica cuántica de sistemas moleculares complejos en tiempo real

Abstract

La presente tesis estudia la transferencia de la excitación electrónica (TEE) involucrada En el proceso primario de la fotosíntesis así como también el mecanismo de foto inyección Electrónica en celdas solares sensibilizadas por colorantes (DSSC). El formalismo teórico que se utiliza se basa en el modelo de tight-binding derivado de la teoría del funcional de La densidad electrónica dependiente del tiempo (TD-DFTB). Este método se implemento En el código KRONOS, donde se propaga la matriz densidad de un electrón en lugar de la Función de onda cuando se aplica una perturbación externa, y el algoritmo utilizado para Integrar la ecuación de movimiento es el Leapfrog. En el capítulo 2 se describen los fundamentos teóricos del DFTB auto consistente y del TD-DFTB. La implementación numérica de este formalismo se detalla en el capítulo 3, En este capítulo se presentan los fundamentos teóricos para obtener el propagador de la Matriz densidad reducida, se construye el algoritmo de propagación de esta matriz cuando El hamiltoniano es dependiente del tiempo y se muestra detalladamente la estructura del Código KRONOS así como su implementación tanto en CPU como en GPU. En el capitulo 4 se presenta la teoría de respuesta lineal, la cual permite estudiar la interacción de Campos electromagnéticos con la materia cuando la perturbación es pequeña. Se describe La respuesta cuántica de un sistema cuando se aplica un campo eléctrico dependiente del Tiempo y se deduce la expresión de la polarizabilidad dinámica en base a las funciones de Green. Por otro lado, se desarrolló un modelo anal tico basado en el sistema de dos niveles (TLS) Que permitió comprender la influencia de las propiedades moleculares en las excitaciones Electrónicas (capitulo 5) así como también en el acoplamiento entre dos TLS, y así describir Y comprender el comportamiento de sistemas m as grandes. Además, los resultados Analíticos obtenidos a partir del estudio de la dinámica del TLS fueron utilizados como Referencia para validar el código KRONOS. En capítulo 6 se muestran resultados de los cálculos de espectros de absorción de varios Pigmentos fotosintéticos así como también los momentos dipolares de transición correspondientes A la excitación electrónica Qy. Estos parámetros ópticos se compararon con Resultados obtenidos a partir de TD-DFT y HF/CIS y con resultados experimentales Encontrados en bibliografía. Además, se describe con profundidad la excitación electrónica En función de la evolución temporal de las poblaciones de los orbitales moleculares Participantes. Por otra parte, se estudia el acoplamiento de los pigmentos fotosintéticos En el capítulo 7 y se analiza en particular la influencia de la interacción dipolar en la Transferencia de la excitación electrónica. El método TD-DFTB implementado en el código KRONOS se aplicó para el cálculo del espectro de absorción del complejo antena FMO de la bacteria Prosthecochloris aestuarii (Capítulo 8) y se comparó con el experimental encontrado en bibliografía. Por otro lado, A partir del modelo de excitones se calculó el espectro de absorción, se estudió el acoplamiento dipolo-dipolo entre las excitaciones electrónicas y se describió el rango de validez De este modelo. Luego, se estudió el mecanismo de TEE a partir de la simulación de la Dinámica electrónica en tiempo real del complejo FMO considerando la estructura molecular Completa, donde se describe la influencia del campo electrostático de la proteína en El mecanismo el transporte de la excitación. Por último, en el capítulo 9 se analiza el mecanismo de inyección electrónica en las DSSC Mediante un tratamiento teórico totalmente cuántico. Se calcularon los espectros de absorción y la evolución de las ocupaciones de los orbitales moleculares para un conjunto Grande de complejos colorante+TiO2 lo cual permitió clasificar los distintos sistemas en Base a su mecanismo de inyección. Además, se describió de una manera profunda el mecanismo De inyección de huecos desde el colorante a la banda de valencia de la nano partícula Semiconductora.