Podrobno

Tuneliranje protona in kvantna delokalizacija v majhnih vodnih klastrih
ID Primožič, Dominik (Avtor), ID Urbič, Tomaž (Mentor) Več o mentorju... Povezava se odpre v novem oknu

.pdfPDF - Predstavitvena datoteka, prenos (7,06 MB)
MD5: EA0C84DB82DD98170C096DC313BD76B8

Izvleček
Kvantni efekti jeder so zaradi poenostavitev približnih modelov vode pogosto spregledani, čeprav imajo ključno vlogo v razumevanju obnašanja vode. V vodi se odvija veliko procesov, med njimi tudi prenos protona – pojav, ki ga ni mogoče pojasniti brez upoštevanja kvantne narave jeder. V tem delu smo preučevali prenos protona v majhnih nevtralnih, protoniranih in deprotoniranih vodnih klastrih. Prenos protona smo uporabili kot koordinato, s katero smo začrtali energijsko ploskev posameznega klastra v eni dimenziji. S kvantno mehansko obravnavo smo nato določili jedrno valovno funkcijo in ovrednotili kvantno delokalizacijo protona v smeri njegovega prenosa. Testirali smo uporabnost enodimenzionalnega modela za napoved IR frekvenc vibracijskega načina, ki ustreza prenosu. Pri prenosih, kjer je prisoten reakcijski profil, smo ocenili hitrostno ojačenje zaradi efektov tuneliranja s pomočjo enostavnih približkov in teorije instantona. Proučevali smo izomerizacijo s cikličnim prenosom protonov v sklenjenem obroču vodikovih vezi majhnih vodnih klastrov. Ta prenos je v zadnjih letih vzbudil veliko zanimanje zaradi možnosti uporabe v kiralni katalizi in shranjevanju energije. Karakterizirali smo efekte tuneliranja v majhnih eno- in dvoplastnih obročih. Z uporabo najmanjšega vodnega klastra pa smo ustvarili tudi model za preučevanje tuneliranja v ledu. Naši rezultati kažejo na pomembnost upoštevanja delokalizacije protona v vodikovi vezi. Pokazali smo, da je omrežje vodikovih vezi prepleteno, zaradi česar je obravnava zgolj ene izolirane vodikove vezi pogosto nezadostna. V protoniranih klastrih smo dokazali, da je presežni proton v vodikovi vezi lahko bodisi lokaliziran bodisi povsem delokaliziran. Poleg tega smo pokazali tudi, da ima pri nizkih temperaturah tuneliranje prevladujočo vlogo pri prenosu protona v cikličnih omrežjih vodikovih vezi, v ledu in pri prenosu protonske luknje v deprotoniranih vodnih klastrih. Hkrati pa tuneliranje ostaja relevantno za vse sisteme z vodikovo vezjo oblike OHO tudi pri višjih temperaturah.

Jezik:Slovenski jezik
Ključne besede:vodni klastri, kvantna jedrna delokalizacija, tuneliranje protona
Vrsta gradiva:Magistrsko delo/naloga
Tipologija:2.09 - Magistrsko delo
Organizacija:FKKT - Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
Leto izida:2026
PID:20.500.12556/RUL-186137 Povezava se odpre v novem oknu
COBISS.SI-ID:290819843 Povezava se odpre v novem oknu
Datum objave v RUL:27.08.2026
Število ogledov:159
Število prenosov:76
Metapodatki:XML DC-XML DC-RDF
:
Kopiraj citat
Objavi na:Bookmark and Share

Sekundarni jezik

Jezik:Angleški jezik
Naslov:Proton tunnelling and quantum delocalization in small water clusters
Izvleček:
Quantum nuclear effects, despite their importance for understanding the behaviour of water, are often overlooked due to the approximations used in classical models of water. Many complex processes take place in water, among them is proton transfer—an inherently quantum phenomenon. In this work, we investigated proton transfer in small neutral, protonated, and deprotonated water clusters. We used proton transfer as a coordinate to construct a one-dimensional energy surface for each cluster. Using a quantum mechanical approach, we then determined the nuclear wave function and evaluated quantum delocalization of the proton in its hydrogen bond. To validate the one-dimensional model, we used it for predicting IR frequencies of the transfer vibrational mode. For transfers exhibiting a clear reaction barrier, we estimated the rate enhancement due to tunnelling effects using simple approximations and instanton theory. We also studied isomerization involving cyclic proton transfer through closed loops of hydrogen bonds in small water clusters. This phenomenon has attracted considerable interest in recent years because of its application in chiral catalysis and energy storage. Specifically, we characterized tunnelling effects in small single and double layered rings. Using the smallest water cluster, we have developed a model for studying tunnelling in ice. Our results highlight the importance of including proton delocalization in hydrogen bonds. We have demonstrated that the hydrogen-bond network is strongly coupled, indicating that models considering only a single isolated hydrogen bond are frequently inadequate. In protonated clusters, we demonstrated that the excess proton can be either localized or completely delocalized along its hydrogen bond. Furthermore, we have shown that at low temperatures, tunnelling plays a dominant role in proton transfer in cyclic hydrogen-bond networks, in ice, and in proton hole transfer in deprotonated water clusters. Importantly, tunnelling remains relevant for all systems with OHO-type hydrogen bonds even at higher temperatures.

Ključne besede:water clusters, quantum nuclear delocalization, proton tunnelling

Podobna dela

Podobna dela v RUL:
Podobna dela v drugih slovenskih zbirkah:

Nazaj