Química cuántica de polimorfos inducidos por presiónóxidos binarios y ternarios de silicio y carbono

Resumen

Esta Tesis Doctoral contiene el resultado de una investigación teórica y computacional sobre el comportamiento estructural, mecánico y electrónico de diversos óxidos cristalinos sometidos a presión hidrostática. La principal motivación de la investigación es la propuesta de estructuras cristalinas de óxidos ternarios de silicio, carbono y oxígeno no descritas hasta la fecha. A pesar de la abundancia de estos tres elementos en nuestro planeta, no se ha caracterizado todavía ninguna estructura cristalina conteniendo única y simultáneamente silicio, carbono y oxígeno. La posibilidad de llevar a cabo predicciones rigurosas y razonables de la primera estructura cristalina de un compuesto SiCO a partir de simulaciones de primeros principios despierta un gran atractivo en el terreno de la Química Teórica y Computacional por las implicaciones que tiene en muchos otros campos, y por el testigo que cede a la investigación experimental. Paralelamente, se han afrontado otros retos interesantes afines a esta motivación principal. Cabe destacar nuestro deseo de contribuir a una colección de problemas genuinos al estudio computacional de materiales sometidos a presión, tales como: (i) la elección de estrategias de cálculo en óxidos de metales de transición, (ii) la descripción de propiedades locales en sólidos cristalinos que permita una interpretación química de la presión en los sólidos y (iii) la propuesta de mecanismos de transición sólido-sólido que den cuenta de la reorganización atómica a lo largo del cambio de fase. En estos dos últimos casos, nos parece fundamental la utilización de formalismos que analicen la topología de la densidad electrónico y la función de localización electrónica (ELF). Estos análisis proporcionan información sobre las contribuciones atómicos a las propiedades macroscópicas y posibilitan el seguimiento de los cambios inducidos por la presión en la naturaleza del enlace químico de los sistemas cristalinos. En conclusión, el formalismo de la Teoría del Funcional de la Densidad nos ha permitido llevar a cabo de manera eficiente estudios de propiedades diversas de sólidos cristalinos. Su aplicación en conjunción a algoritmos evolutivos permiten predecir nuevas estructuras cristalinas aún no descritas experimentalmente. El conocimiento de la composición química es suficiente para realizar búsquedas en la superficie de energía potencial en unas condiciones de presión determinadas. La elucidación estructural llevada a cabo pone de manifiesto las más que probable existencia de óxidos ternarios compuestos únicamente por silicio, carbono y oxígeno. Estudios experimentales preliminares han demostrado la existencia de un carbonato de silicio en condiciones de altas presiones, lo que podría tener un impacto en el ciclo de carbono, además de las implicaciones evidentes en áreas como la Ciencia de los Materiales y las Ciencias de la Tierra.