A Computational Study of The Physicochemical Properties and Geometrical Influence of TIO2 Nanotubes and Nanosheets In a Polar and Apolar Environment

Abstract

[Resumo] Esta investigación pretende ser unha contribución significativa ao estudo computacional das propiedades físicas dos materiais nanoestruturados. Para tal fin, os esforzos centráronse en descubrir elementos clave dos nanotubos e nanofollas de dióxido de titanio, un material que na actualidade resulta moi prometedor polas súas características ópticas e mecánicas en aplicacións de diversa índole como: enerxías renovables, produtos farmacéuticos, pinturas. , etc. Neste sentido, este traballo divídese en catro capítulos, o primeiro dos cales está dirixido a explicar os principios teórico-prácticos aplicados na simulación computacional, para os que se tomaron aspectos fundamentais da dinámica molecular clásica (DMC), destacando o Ecuacións newtonianas. de movemento, as condicións necesarias para un sistema dinámico, o campo de forza e os integradores coas súas respectivas rutinas de código. No segundo capítulo explícase como a optimización dos sistemas HPC baseados en factores de rendemento contribúe á simulación computacional, para o que se consideran os embotellamentos que xeran problemas nos cálculos. Para este fin utilizouse "Quinde I", que é o único e máis potente supercomputador do Ecuador e ademais compilou e comparou o rendemento de dous algoritmos de multiplicación de matrices densas Srumma e DGEMM. Por outra banda, no terceiro capítulo, realizouse unha revisión en profundidade de estudos preliminares a nivel experimental e computacional de nanotubos de TiO2, nos que se describen varios métodos experimentais para a preparación de nanotubos de TiO2 dopados con metal (TNTs). , co fin de comprender os efectos de diferentes dopantes metálicos sobre as propiedades estruturais, morfolóxicas, ópticas e eléctricas dos nanotubos de anatase e rutilo. Ademais, comentarase a historia dos estudos DFT sobre dopaxe metálico de nanopartículas de TiO2. Tamén se comentaron as simulacións clásicas e o seu apoio aos resultados experimentais de nanotubos de TiO2. En particular, centrámonos na análise detallada e na importancia industrial do desenvolvemento de materiais híbridos de TiO2 e na necesidade de comprender máis a estrutura química dos nanotubos de TiO2 de anatase dopados con metal para dispositivos de almacenamento de ións como baterías. No último capítulo explícanse os principais resultados obtidos nas simulacións de nanofollas e nanotubos de rutilo e anatase, concretamente as propiedades macroscópicas como tensióndeformación, densidade vibracional de estados (VDOS) ou espectros de potencia, espectro infravermello, etc., aspectos que permitiron para atopar características nunca antes evidenciadas no campo computacional ou experimental.[Resumen] Esta investigación pretende ser una contribución significativa al estudio computacional de las propiedades físicas de los materiales nanoestructurados. Para ello, los esfuerzos se han centrado en descubrir elementos clave de los nanotubos y nanoláminas de dióxido de titanio, un material que actualmente resulta muy prometedor por sus características ópticas y mecánicas en aplicaciones de diversa índole como: energías renovables, farmacéutica, pinturas, etc. En este sentido, este trabajo se divide en cuatro capítulos, el primero de los cuales tiene como objetivo explicar los principios teórico-prácticos aplicados en la simulación computacional, para lo cual se han tomado aspectos fundamentales de la dinámica molecular clásica (DMC), destacando las ecuaciones newtonianas. de movimiento, las condiciones necesarias para un sistema dinámico, el campo de fuerza y los integradores con sus respectivas rutinas de código. En el segundo capítulo se explica cómo la optimización de sistemas HPC basada en factores de desempeño contribuye a la simulación computacional, para lo cual se consideran los cuellos de botella que generan problemas en los cálculos. Para ello se utilizó el “Quinde I” que es la única y más poderosa supercomputadora del Ecuador y además se compiló y comparó el desempeño de dos algoritmos de multiplicación de matrices densas Srumma y DGEMM. Por otro lado, en el tercer capítulo se realizó una revisión en profundidad de estudios preliminares a nivel experimental y computacional de nanotubos de TiO2, en el cual se describen varios métodos experimentales para la preparación de nanotubos de TiO2 dopados con metales (TNTs), con el fin de comprender los efectos de diferentes dopantes metálicos sobre las propiedades estructurales, morfológicas, ópticas y eléctricas de los nanotubos de anatasa y rutilo. Además, se discutirá la historia de los estudios DFT sobre el dopaje metálico de nanopartículas de TiO2. También se discutieron las simulaciones clásicas y su apoyo a los resultados experimentales de los nanotubos de TiO2. En particular, nos enfocamos en el análisis detallado y la importancia industrial del desarrollo de materiales híbridos de TiO2 y la necesidad de una mayor comprensión de la estructura química de los nanotubos de TiO2 anatasa dopados con metales para dispositivos de almacenamiento de iones como las baterías. El último capítulo explica los principales resultados obtenidos en las simulaciones de nanoláminas y nanotubos de rutilo y anatasa, en concreto las propiedades macroscópicas como estrés-deformación, densidad vibracional de estados (VDOS) o espectros de potencia, espectro infrarrojo, etc., aspectos que han permitido encontrar características nunca antes evidenciadas en el campo computacional o experimental.[Abstract] This research aims to be a significant contribution to the computational study of the physical properties of nanostructured materials. For this purpose, efforts have been focused on discovering key elements of titanium dioxide nanotubes and nanosheets, a material that currently turns out to be very promising due to its optical and mechanical characteristics in applications of various kinds such as: renewable energy, pharmaceuticals, paints, etc. In this sense, this work is divided into four chapters, the first of which is aimed at explaining the theoretical-practical principles applied in computational simulation, for which fundamental aspects of classical molecular dynamics (DMC) have been taken, highlighting the Newtonian equations. of movement, the necessary conditions for a dynamic system, the force field and the integrators with their respective code routines. In the second chapter, it explains how the optimization of HPC systems based on performance factors contributes to computational simulation, for which the bottlenecks that generate problems in the calculations are considered. For this purpose, "Quinde I" was used, which is the only and most powerful supercomputer in Ecuador and also compiled and compared the performance of two algorithms for dense matrix multiplication Srumma and DGEMM. On the other hand, in the third chapter, an in-depth review of preliminary studies at the experimental and computational level of TiO2 nanotubes was carried out, in which several experimental methods for the preparation of metal-doped TiO2 nanotubes (TNTs) are described, with the in order to understand the effects of different metallic dopants on the structural, morphological, optical and electrical properties of anatase and rutile nanotubes. In addition, the history of DFT studies on metal doping of TiO2 nanoparticles will be discussed. Classical simulations and their support for the experimental results of TiO2 nanotubes were also discussed. In particular, we focus on the detailed analysis and industrial significance of the development of TiO2 hybrid materials and the need for further understanding of the chemical structure of metal-doped anatase TiO2 nanotubes for ion storage devices such as batteries. The last chapter explains the main results obtained in the simulations of rutile and anatase nanosheets and nanotubes, specifically the macroscopic properties such as stressstrain, vibrational density of states (VDOS) or power spectra, infrared spectrum, etc., aspects that have allowed to find characteristics never before evidenced in the computational or experimental field.