Estudando o Efeito do Ambiente nos Fenômenos de Tunelamento Quântico

• Processo: 23/17013-0
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Doutorado
• Data de Início da vigência: 08 de abril de 2024
• Data de Término da vigência: 07 de abril de 2025
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
• Pesquisador responsável: Nelson Henrique Morgon
• Beneficiário: Caio Moraes Porto
• Supervisor: Peter Richard Schreiner
• Instituição Sede: Instituto de Química (IQ). Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Campinas , SP, Brasil
• Instituição Anfitriã: Justus Liebig University Giessen (JLU), Alemanha
• Vinculado à bolsa: 21/11039-1 - Desenvolvimento e Aplicação de Abordagem Analítica para o Calculo de Tunelamento em Duplos Poços Potenciais., BP.DR
• Assunto(s): Reações químicas
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: chemical reactions | Matrix isolation | Non-covalent interactions | Quantum Tunneling | solvation | Química Teórica e Computacional

Resumo

O tunelamento quântico (QT) é a capacidade que partículas e sistemas de partículas têm de atravessar uma região de maior energia. Tal processo é característico de sistemas quânticos e é proibido pela mecânica clássica. O interesse em QT foi renovado nos últimos anos devido ao aumento do poder computacional e aos novos métodos e estratégias para estudá-lo. QT foi mostrado ser importante numa vasta gama de reações, como reações de combustão, reações envolvendo proteínas, rearranjos sigmatrópicos, reações de eliminação, reações com organometálicos, carbenos e nitrenos. Recentemente, uma reação que normalmente ocorre majoritariamente devido ao tunelamento foi utilizada para a produção de espécies reativas intracelulares para o tratamento de câncer.O efeito do solvente em reações que envolvem tunelamento quântico ainda não é totalmente compreendido, e há uma série de questões em aberto. Sua compreensão está intimamente ligada ao desenvolvimento do campo da catálise por tunelamento, que é a catálise ativada pelo QT, e à compreensão do tunelamento como o terceiro paradigma de reatividade. Já foram mostradas diversas reações às quais o QT é o fator decisivo para a seletividade de um sistema químico, bem como reações que não deveriam acontecer devido a energia total não ser suficiente e que, no entanto, ocorrem. Nestas o produto mais provável não pode ser predito sem a análise da superfície de energia potencial relacionada à reação.Os autores desenvolveram um método para o cálculo do tunelamento quântico em poços duplos simétricos e assimétricos, demonstrando excelente concordância com resultados experimentais e flexibilidade na modelagem dos sistemas estudados. O presente projeto visa utilizar as ferramentas desenvolvidas e os insights obtidos com os estudos publicados sobre o efeito do solvente sobre tanto as taxas de reação quanto QT e sobre moléculas embutidas em matrizes criogênicas, para lançar luz sobre seu efeito no tunelamento quântico. O entendimento do efeito do solvente sobre o tunelamento pode abrir o campo para sua utilização efetiva de forma a ajustar a seletividade de reações que já ocorrem por QT, ou que devido a esse efeito passarão a ocorrer. Posteriormente, os resultados desse estudo serão incorporados à ferramenta computacional atualmente desenvolvida para o cálculo de QT pelos autores.Durante o período do projeto, pretende-se utilizar a expertise do grupo estrangeiro para auxiliar no aperfeiçoamento do método desenvolvido e que é o objeto do projeto de pesquisa do aluno. Entre os pontos a serem tratados estão incorporar uma massa reduzida variável ao método de cálculo de QT, o qual vem sendo estudado pelo aluno e foi apresentado em congresso recentemente. Também se considera a incorporação de tunelamento multidimensional ao método, de forma que sistemas mais complexos possam ser tratados com maior precisão. As interações entre as moléculas estudadas e o solvente serão inicialmente exploradas através da análise de interações não covalentes. Os efeitos do solvente serão investigados empregando modelos implícitos (PCM, SMD) em combinação com moléculas de solvente adicionadas explicitamente através de uma abordagem de solvatação híbrida.