Propriedades estruturais e eletrônicas do cristal L-fenilalanina ácido nítrico e estudo vibracional sob condições extremas de pressão e temperatura

Autor: Silva, Katiane Pereira da
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2014
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFCUniversidade Federal do CearáUFC.
Druh dokumentu: Doctoral Thesis
Popis: SILVA, Katiane Pereira da. Propriedades estruturais e eletrônicas do cristal L-fenilalanina ácido nítrico e estudo vibracional sob condições extremas de pressão e temperatura. 2014. 119 f. Tese (Doutorado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014.
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The L-phenylalanine is an essential amino acid that takes part of several bio chemicals processes related to the production of some human proteins and enzymes. This essential amino acid is converted into the L-tyrosine amino acid by means of the L-phenylalanine hydroxilase. Amino acids are interesting materials for non linear optics (NLO) applications as they contain a proton donor carboxylic acid (COOH) group and a proton acceptor amine (NH2) group. In the present work, a systematic investigation has been carried out on L-phenylalanine nitric acid [C9H11NO2.C9H11NO2+.NO3-] (LPN) single crystal obtained by slow evaporation at room temperature. This work shows studies performed in a pure atomistic way by computation simulation, on the electronic and optical properties, using method of density functional theory. The crystal was characterized by single crystal X-ray diffraction, Fourier Transform infrared (FT-IR) and Fourier Transform Raman (FT-Raman) analysis. The results of the X-ray diffraction data were analyzed by the Rietveld method. Single crystal data refinement of the LPN crystal shows that this compound grows with a monoclinic structure belonging to the P21 space group with two molecules per unit cell. The calculated lattice parameter is in good agreement with the experimental results. The Mulliken and Hirschfield charges show the zwiterrionic state of the LPN crystal in the DFT converged crystals. The band gap of LPN crystal is indirect and its energy is ~3.55 eV. The 2p orbitals are the largest contributors to the density of states, suggesting that the crystal behaves like an n-type wide gap insulator. We have characterized the LPN crystal at room temperature by means of the FT-IR in the spectral range between 400 cm-1 to 4000 cm-1 and by means of FT-Raman in the spectral range between 50 cm-1 to 3500 cm-1. There was no Raman band observed in the spectral interval between 1700 cm-1 to 2700 cm-1. For wavenumber greater than 3100 cm-1, there was no Raman band. In the range between 2850 cm-1and 3100 cm-1, it observed stretching modes associated with C-H and C-H2 units. Finally, single-crystal samples of LPN were studied by Raman spectroscopy in a diamond-anvil cell up to pressures of ~ 8.0 GPa. From the analysis of the results we observed that the crystal undergoes a phase transition at about 0.6 GPa. The transition is accompanied by the disappearance of a phonon in the external mode region of the spectrum and by changes of both the wavenumber of NH3+ rocking and CH2 rocking vibrations.
A L-fenilalanina é um aminoácido essencial que participa de diversos processos bioquímicos relacionados à constituição de diversas proteínas e enzimas do corpo humano. Este aminoácido essencial através da enzima L-fenilalanina hidroxilase, é convertido no aminoácido L-tirosina. Os aminoácidos são materiais interessantes para aplicações ópticas não lineares (ONL) uma vez que contêm um próton doador do grupo carboxílico (COOH) e um próton receptor do grupo amina (NH2). No presente trabalho, uma investigação sistemática foi realizada para o cristal de L-fenilalanina ácido nítrico [C9H11NO2.C9H11NO2+.NO3-] (LFN) obtido pelo método de evaporação lenta à temperatura ambiente. Neste trabalho, estudamos de forma inteiramente atomística através de simulação computacional as propriedades eletrônicas e ópticas utilizando o método da teoria do funcional da densidade. O cristal foi caracterizado por difração de raios-X, pelas técnicas vibracionais de Transformada de Fourier no infravermelho (FT-IR) e no Raman (FT-Raman). Os resultados de difração de raios-X foram analisados pelo método de Rietveld. Os resultados do refinamento para o cristal LFN mostram que este composto cristaliza-se na estrutura monoclínica pertecente ao grupo especial P21 com duas moléculas por célula unitária. Os parâmetros de rede calculados apresentaram boa concordância com os resultados experimentais. As cargas Mulliken e Hirschfield mostram que o estado zwitteriônico do cristal LFN estão bem convergidas. A energia do gap do cristal LFN (indireto) é aproximadamente 3,55 eV. Os orbitais 2p são os maiores contribuintes para a densidade de estados, o que sugere que o cristal se comporta como um isolante. Apresentamos resultados de caracterização do cristal de LFN à temperatura ambiente, através das técnicas utilizadas de espectroscopia de absorção por transformada de Fourier na região do infravermelho (FT-IR) no intervalo espectral entre 400 cm-1 e 4000 cm-1 e espectroscopia Raman por transformada de Fourier (FT-Raman) no intervalo espectral entre 50 cm-1 e 3500 cm-1. Nenhuma banda Raman foi observada no intervalo espectral entre 1700 cm-1 e 2700 cm-1. Para o intervalo acima de 3100 cm-1 nenhuma banda Raman foi observada, o que garante que o cristal tratado está na forma anidra. Destaca-se, por exemplo, a região entre 2850 cm-1 e 3100 cm-1, onde é esperado serem observados modos vibracionais do tipo estiramento das ligações C-H e do CH2. Finalmente, para o cristal de LFN foram investigados por espectroscopia Raman em uma célula do tipo bigorna de diamantes desde a pressão ambiente até ~ 8,0 GPa. Nas análises dos resultados de altas pressões observamos que o cristal sofre uma transição de fase em torno 0,6 GPa. A transição é acompanhada pelo desaparecimento de um fônon na região dos modos externos do espectro Raman e por alterações das bandas eferentes a vibrações do tipo rocking do NH3+ e CH2.
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