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https://tedebc.ufma.br/jspui/handle/tede/6793| Tipo do documento: | Tese |
| Título: | Estudo teórico baseado na teoria do funcional da densidade das propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas dos cristais de sarcosina e DL-alanina em função da pressão |
| Título(s) alternativo(s): | A theoretical study based on density functional theory of the structural, electronic, and optical properties of sarcosine and DL-alanine crystals as a function of pressure |
| Autor: | MOURA, Geanso Miranda de ![]() |
| Primeiro orientador: | ANDRADE FILHO, Tarciso Silva de |
| Primeiro coorientador: | SANTOS, Adenilson Oliveira dos |
| Primeiro membro da banca: | ANDRADE FILHO, Tarciso Silva |
| Segundo membro da banca: | SANTOS, Adenilson Oliveira dos |
| Terceiro membro da banca: | LAGE, Mateus Ribeiro |
| Quarto membro da banca: | ALVES, Tiago Vinicius |
| Quinto membro da banca: | PEREIRA, Douglas Henrique |
| Resumo: | O estudo das propriedades estruturais e eletrônicas de cristais de aminoácidos sob diferentes condições de pressão é de grande relevância, uma vez que esses materiais têm potencial para aplicações tecnológicas. Compreender como a pressão influencia as características dos cristais orgânicos pode levar a avanços significativos no desenvolvimento de novos compostos e na otimização de processos industriais. A metodologia adotada para os cálculos computacionais neste estudo baseia-se na teoria do funcional da densidade (DFT), utilizando o software Quantum ESPRESSO. O método do projetor aumentado de onda (PAW) foi empregado para realizar os cálculos computacionais, e os componentes de troca e correlação foram descritos utilizando os funcionais Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE/GGA), PBE para sólidos (PBEsol/GGA), PBE revisado (revPBE/GGA) e o funcional de correlação não local de van der Waals (vdW-DF). Além disso, o termo de dispersão D3 de Grimme foi aplicado em conjunto com todos os funcionais GGA para corrigir as interações de dispersão. Considera-se que a otimização da geometria converge em 10−3 eV Å−1 . Nesta pesquisa, foram investigadas as propriedades estruturais e eletrônicas dos cristais de sarcosina e DL-alanina sob condições extremas de pressão hidrostática, com especial atenção aos parâmetros de rede e comportamento das ligações de hidrogênio. Para a sarcosina, foram usados pontos discretos de pressão variando de 0,0 a 3,7 GPa, enquanto que no caso da DL-alanina a pressão aplicada compreende o intervalo de 0,0 a 18 GPa. Os resultados computacionais para os parâmetros de rede a, b e c e o volume da sarcosina otimizados sob pressão ambiente indicam desvios menores que 2% em relação aos valores experimentais reportados na literatura. Para as propriedades eletrônicas, a sarcosina possui um band gap direto à pressão ambiente (ao longo do ponto Γ). O intervalo de banda calculado foi de aproximadamente 5,20 eV, conferindo ao material um comportamento isolante nessa configuração. Sob pressão, a sarcosina possui comportamento anisotrópico e módulo de compressibilidade teórico B0 da ordem de 6,98 GPa. Além disso, o band gap da sarcosina não diminui monotonicamente com a pressão. Ele diminui inicialmente de 5,20 eV para 4,90 até aproximadamente 1,4 GPa, e depois começa a aumentar ligeiramente, chegando a 5,05 eV em 3,7 GPa. Esse comportamento não-linear é interpretado como resultado da competição entre a contração da célula unitária e a rotação das moléculas dentro do cristal. Em relação às propriedades ópticas, a constante dielétrica estática apresentou valores de 2,08 no plano xx, 2,47 no plano yy e 2,17 no plano zz, com a maior polaridade no plano yy, reforçando o comportamento anisotrópico do sistema. Já a forte absorção na região do ultravioleta indica um potencial de aplicação como polarizadores de luz ultravioleta. Para a DL-alanina, os resultados computacionais para os parâmetros de rede e volume da célula unitária otimizados reduzem continuamente com o aumento da pressão, apresentando excelente concordância com os dados experimentais disponíveis na literatura. Adicionalmente, o parâmetro b se reduziu em aproximadamente 14%, evidenciando a maior flexibilidade do cristal nessa direção. Sob pressão de até 18 GPa, a DL-alanina possui comportamento anisotrópico e módulo de compressibilidade teórico B0 da ordem de 8,48 GPa. Em relação ao valor teórico do momento de dipolo cristalino, o valor obtido a pressão ambiente foi de aproximadamente 75 Debye, enquanto que acima de 15 GPa é observada uma queda abrupta nesse valor, atingindo aproximadamente 38 Debye em 17,5 GPa. Os voids também são drasticamente minimizados, variando de 84,76 Å3 a pressão ambiente para valores inferiores a 3,94 Å3 em pressões superiores a 16,4 GPa - redução de aproximadamente 95%. Esta pesquisa foca em estudos teóricos de sistemas cristalinos sob condições de alta pressão, buscando aprimorar o entendimento das interações intermoleculares, bem como das propriedades ópticas, estruturais e eletrônicas desses cristais orgânicos, pavimentando o caminho para futuras inovações na ciência dos materiais. |
| Abstract: | The study of the structural and electronic properties of amino acid crystals under different pressure conditions is highly relevant, as these materials have potential for technological applications. Understanding how pressure influences the characteristics of organic crystals can lead to significant advances in the development of new compounds and the optimization of industrial processes. Thus, this research not only advances theoretical knowledge about these systems but also paves the way for technological innovations. The methodology adopted for the computational calculations in this study is based on Density Functional Theory (DFT), using the Quantum ESPRESSO software. The Projector Augmented Wave (PAW) method was employed to perform the computational calculations, and the exchange- correlation components were described using the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE/GGA), PBE for solids (PBEsol/GGA), revised PBE (revPBE/GGA), and the non-local van der Waals correlation functional (vdW-DF). Additionally, the Grimme D3 dispersion term was applied in conjunction with all GGA functionals to correct for dispersion interactions. Geometry optimization was considered converged at 10−3 eV· Å−1 . In this research, the structural and electronic properties of sarcosine and DL-alanine crystals were investigated under extreme hydrostatic pressure conditions, with special attention to lattice parameters and hydrogen bond behavior. For sarcosine, discrete pressure points ranging from 0.0 to 3,7 GPa were used, while for DL-alanine the applied pressure ranged from 0,0 to 18 GPa. The computational results for the optimized lattice parameters a, b, and c and the volume of sarcosine at ambient pressure show deviations of less than 2% compared to experimental values reported in the literature. Regarding electronic properties, sarcosine exhibits a direct band gap at ambient pressure (along the Γ point). The calculated band gap was approximately 5.20 eV, indicating insulating behavior in this configuration. Under pressure, sarcosine displays anisotropic behavior and a theoretical bulk modulus B0 of about 6.98 GPa. Furthermore, the band gap of sarcosine does not decrease monotonically with pressure; it initially decreases from 5,20 eV to 4,90 eV up to approximately 1,4 GPa, then slightly increases, reaching 5,05 eV at 3,7 GPa. This non-linear behavior is interpreted as a result of competition between unit cell contraction and molecular rotation within the crystal. In terms of optical properties, the static dielectric constant showed values of 2,08 in the xx plane, 2,47 in the yy plane, and 2,17 in the zz plane, with the highest polarity in the yy plane, reinforcing the system’s anisotropic behavior. Strong absorption in the ultraviolet region indicates potential application as ultraviolet light polarizers. For DL-alanine, the computational results for the optimized lattice parameters and unit cell volume decrease continuously with increasing pressure, showing excellent agreement with available experimental data. Additionally, the b parameter decreased by approximately 14%, indicating greater flexibility of the crystal in this direction. Under pressure up to 18 GPa, DL-alanine exhibits anisotropic behavior and a theoretical bulk modulus B0 of about 8.48 GPa. Regarding the theoretical value of the crystalline dipole moment, the value obtained at ambient pressure was approximately 75 Debye, while above 15 GPa a sharp drop is observed, reaching approximately 38 Debye at 17,5 GPa. The voids are also drastically minimized, ranging from 84,76 Å3 at ambient pressure to values below 3,94 Å3 at pressures above 16,4 GPa - a reduction of approximately 95%. The results presented here are essential for a deeper understanding of the potential technological applications of sarcosine and DL-alanine in different scenarios, highlighting the relevance of theoretical studies dedicated to the investigation of crystalline systems under high- pressure conditions. This research deepens the understanding of intermolecular interactions, as well as the optical, structural, and electronic properties of organic crystals, establishing a solid foundation for future investigations in the field of materials science. |
| Palavras-chave: | sarcosina; DL-alanina; propriedades estruturais; propriedades eletrônicas; propriedades ópticas; Teoria do Funcional da Densidade (DFT); pressão. sarcosine; DL-alanine; structural properties; electronic properties; optical properties; Density Functional Theory (DFT); pressure. |
| Área(s) do CNPq: | Física |
| Idioma: | por |
| País: | Brasil |
| Instituição: | Universidade Federal do Maranhão |
| Sigla da instituição: | UFMA |
| Departamento: | PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DOS MATERIAIS/CCIM |
| Programa: | PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DOS MATERIAIS/CCSST |
| Citação: | MOURA, Geanso Miranda de. Estudo teórico baseado na teoria do funcional da densidade das propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas dos cristais de sarcosina e DL-alanina em função da pressão. 2025. 207 f. Tese (Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais/CCSST) - Universidade Federal do Maranhão, Imperatriz, 2025. |
| Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
| URI: | https://tedebc.ufma.br/jspui/handle/tede/6793 |
| Data de defesa: | 30-Jun-2025 |
| Aparece nas coleções: | TESE DE DOUTORADO - PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DOS MATERIAIS/CCSST |
Arquivos associados a este item:
| Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
|---|---|---|---|---|
| Geanso_Moura.pdf | Tese de Doutorado | 24,11 MB | Adobe PDF | Baixar/Abrir Pré-Visualizar |
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