Una aproximación meteaheurística para la construcción óptima de Hamiltoniano rovibracionales anarmónicos

Laburpena

La espectroscopia ha sido a través de los años un área básica para estudiar y analizar la estructura de las moléculas. Uno de los temas centrales en espectroscopia molecular es el estudio de la rotación y la vibración moleculares. El correspondiente Hamiltoniano rovibracional consta de dos componentes principales. Por un lado se tiene un operador de energía cinética que es la suma de tres términos: la energía cinética rotacional, la energía cinética vibracional y la energía de interacción entre la rotación y la vibración. Por otro lado, se tiene un operador de energía potencial descrito en términos de las coordenadas nucleares. Aunque la construcción de Hamiltonianos rovibracionales es un tema de interés desde los primeros tiempos de la mecánica cuántica, encontrar la representación adecuada para su resolución no es una tarea fácil. Actualmente, este problema se puede abordar aprovechando los conceptos y herramientas de la química computacional. Los paradigmas de ingeniería del software y de la programación orientada a objetos se pueden usar como herramientas e¿caces en el desarrollo e implementación de algoritmos matemáticos dirigidos a la construcción y posterior resolución del Hamiltoniano rovibracional. En este contexto, el presente estudio se enmarca dentro de la línea de investigación en espectroscopia molecular, correspondiente a la construcción de Hamiltonianos rovibracionales anarmónicos en moléculas de tamaño y complejidad arbitrarios. Para tal ¿n se desarrollan e implementan algoritmos para el cálculo numérico de los términos cinéticos y para la de¿nición óptima del sistema de ejes moleculares usados para construir la matriz G rovibracional. La exploración masiva de datos estructurales se afronta actualmente de manera e¿ciente con sistemas de computación distribuida. La metodología presentada en este trabajo se implementa de forma que pueda interactuar con los resultados obtenidos en estos procesos. Este trabajo se ha estructurado de la siguiente forma: En el capítulo 1, Objetivos, se presentan el objetivo general y los objetivos especí¿cos del trabajo. En el capítulo 2, Fundamentos teóricos, se presentan los fundamentos teóricos en los que se basa la metodología implementada. Especí¿camente, se realiza una revisión de los conceptos teóricos fundamentales necesarios para una comprensión adecuada de las propiedades que se obtienen de los cálculos de estructura electrónica. Posteriormente, se hace una revisión de los conceptos involucrados en la descripción de la rotación, vibración y el acoplamiento rotación-vibración moleculares. Finalmente, se describen los conceptos de carácter computacional en los que se basa el desarrollo de los componentes software implementados en este trabajo. En el capítulo 3, Metodología, se detallan los métodos y técnicas utilizados. En él se describe y de¿ne el conjunto molecular usado para la calibración e implementación de los algoritmos desarrollados y se describen los métodos de cálculo y herramientas utilizadas en la investigación. En el capítulo 4, Resultados y discusión, se presentan, discuten e interpretan los resultados obtenidos. En primer lugar, se describe como se lleva a cabo la construcción del Hamiltoniano molecular rovibracional. Posteriormente, se detalla el desarrollo de los algoritmos para el cálculo de las derivadas numéricas y la selección de ejes óptimos para el cálculo de la matriz G rovibracional. También se presentan en este capítulo el diseño, análisis e implementación del software desarrollado para el cálculo de la matriz G rovibracional en moléculas no-rígidas de tamaño arbitrario en ejes moleculares optimizados. Finalmente, se presenta una aplicación de la metodología desarrollada en este trabajo a un caso especí¿co de interés, la molécula de n-butironitrilo. Posteriormente, se presentan las Conclusiones a las que se ha llegado basándose en los resultados discutidos en el capítulo anterior. Después se describen los Trabajos futuros que se pueden abordar como continuación de este trabajo. A continuación se presenta la Bibliografía utilizada. Finalmente, a modo de Apéndice se incluyen los trabajos a los que ha dado lugar la presente investigación.