Cambios en las propiedades electrónicas en nanotubos de carbono cortos embebidos en agua

CARLOS RUIZ

Santa Fe

Seminario; Seminario Instituto de Física del Litoral; 2013

Instituto de Física del Litoral

Los nanotubos de carbono (CNTs), desde su descubrimiento en 1991, han sido usados en un amplio rango de aplicaciones tecnológicas tales como en catálisis, electrónica y sensores moleculares. En particular, hay un gran interés en entender la estructura y propiedades de transporte de agua confinada, iones y drogas dentro de canales construidos a partir de CNTs. Esto se debe a la similitud de esas propiedades con las de los sistemas biológicos y por sus consecuencias en sensores a base de CNTs. Cuando un CNT es solvatado con moléculas de agua, éste se llena espontánea y continuamente, y ocurre un fenómeno de transporte de moléculas. La estructura de las moléculas de agua confinadas cambia drásticamente con el diámetro del nanotubo. Para diámetros mayores a 2 nm la estructura del agua confinada se parece a la del agua en volumen, mientras que si el diámetro es del orden de 1 nm el agua fluye en una sola fila con una estructura ordenada por puentes de hidrógeno. Al mismo tiempo las moléculas no confinadas presentan un perfil de densidad que varía espacialmente. Otro aspecto importante de los CNT son sus propiedades electrónicas y magnéticas. Los CNT pueden generarse con carácter metálico, semimetálico o semiconductor. En particular los CNT tipo zigzag, cortos y terminados con átomos de hidrógeno son semiconductores y presentan un gap electrónico degenerando para espines alfa y beta, y un estado fundamental antiferromagnético. Se ha mostrado teóricamente que la aplicación de un campo eléctrico uniforme en la dirección axial rompe la degeneración del gap electrónico y es capaz de cambiar al CNT de semiconductor a semimetálico. En esta tesis investigamos cómo el campo eléctrico producido por moléculas de agua en una caja cambia las propiedades electrónicas y magnéticas de nanotubos cortos, en particular analizamos los cambios en el gap electrónico, la densidad de espín, la polarización y el estado magnético (antiferromagnetismo y ferromagnetismo). Para ello, usamos métodos de primeros principios en la aproximación de DFT pero incluyendo una corrección a la interacción electrón-electrón a través de la interacción de Hartree exacta, combinados con métodos de campo de fuerza clásico (QM/MM), y dinámica molecular clásica. Los resultados originales del trabajo son la predicción de que el gap electrónico HOMO-LUMO de CNTs, degenerado en vacío, se rompe y fluctúa siguiendo las fluctuaciones de las moléculas de agua. Examinamos en detalle cómo es el campo eléctrico producido por las moléculas de agua confinadas y no confinadas, y discutimos la posibilidad de pasar de un estado fundamental antiferromagnético a uno ferromagnétic