Oriented external electric fields in chemistry: development and application of new methods to simulate molecular response properties and reactivity

Abstract

In this PhD thesis, we explore the fundamental properties of molecules and materials that shape their behavior and potential applications in science and technology. Specifically, we focus on developing advanced computer models which can be used to understand how molecules respond to electric fields and undergo certain type of chemical reactions.

Our study aims to overcome the limitations of existing models by improving the accuracy, especially for the so-called Non-Linear Optical Properties (NLOPs) and Charge Transfer (CT) reactions. Those are specific type of physical phenomena involving the interactions of electrons at long distances, which are usually tricky to simulate. These properties are crucial for predicting how molecules interact and transform under different conditions.

We introduce two new computational methods, designed to accurately calculate hyperpolarizabilities, which are key NLOPs, with higher precision than existing methods. These methods are tailored to specific molecule types and offer improved accuracy compared to previous approaches.

Furthermore, we explore practical applications of these properties, such as understanding the effects of electric fields on the rate for a chemical reaction to occur, the selection of a desired product among reactions offering a diverse set of possible products, and general stability. We develop equations to efficiently study these effects and integrate them into existing models for chemical analysis.

Our research also investigates CT reactions, particularly their relevance in Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC), and develops methods to calculate CT rate constants accurately. By applying our findings, we aim to enhance the efficiency of solar cells through rational molecular design.

Overall, this thesis combines theoretical and computational approaches to deepen our understanding of molecular properties and their practical implications. By bridging the gap between theory and application, we hope to contribute to advancements in chemistry, materials science, and related fields

En aquesta tesi de doctorat, explorem les propietats fonamentals de les molècules i els materials que determinen el seu comportament i les seves aplicacions en la ciència i la tecnologia. Específicament, ens centrem en el desenvolupament de models amb ordinador basats en la química i la física que es poden utilitzar per entendre com les molècules responen als estímuls produïts per camps elèctrics o quan s’esdevenen certs determinats tipus de reaccions químiques.

El nostre estudi té com a objectiu superar les limitacions dels models existents millorant la precisió, especialment per a l’estudi de les anomenades Propietats Òptiques No Lineals (NLOPs) i les reaccions de Transferència de Càrrega (CT). Aquestes són una tipologia específica de fenòmens físics que impliquen interaccions entre electrons que es troben a llargues distàncies, i que habitualment solen ser difícils de simular. Aquestes propietats són crucials per predir com interactuen i es transformen les molècules en diferents condicions.

Introduïm dos nous mètodes computacionals, dissenyats per calcular amb precisió les hiperpolaritzabilitats, que són les NLOPs més rellevants, amb una precisió superior als mètodes existents. Aquests mètodes estan adaptats a tipus específics de molècules i ofereixen una major precisió en comparació amb els mètodes ja existents.

A més, explorem aplicacions pràctiques d'aquestes propietats, com comprendre els efectes dels camps elèctrics sobre la velocitat d'una reacció química, la selecció d'un producte desitjat entre reaccions que ofereixen un conjunt divers de possibles productes, i la seva estabilitat general. Desenvolupem equacions per estudiar eficientment aquests efectes i els integrem en models existents per a l'anàlisi química.

La nostra recerca també investiga les reaccions de CT, especialment la seva rellevància en les cèl·lules solars orgàniques, i desenvolupa mètodes per calcular amb precisió les la velocitat a la que les reaccions de tipus CT ocorren en elles. Mitjançant l'aplicació dels nostres resultats, pretenem millorar l'eficiència de les cèl·lules solars a través d’un disseny racional de nous compostos potencialment útils per a ser utilitzats com a materials fotovoltaics.

En conjunt, aquesta tesi combina un enfoc teòric i computacional per aprofundir en la nostra comprensió de les propietats moleculars més fonamentals i les seves implicacions pràctiques. Amb l'objectiu de col·laborar amb els avanços en química, ciència de materials i camps relacionats, esperem contribuir a reduir la separació entre la teoria i l'aplicació