Laskennallisia tutkimuksia raskasmetallisysteemeistä: Perusominaisuudet, sitoutuminen ja uusia tulkintoja

Tämä väitöskirjatutkimus hyödyntää laskennallista kemiaa selvittääkseen, miten raskaat alkuaineet käyttäytyvät epätavallisissa kemiallisissa ympäristöissä. Raskailla alkuaineilla, kuten lantanoideilla, aktinoideilla ja raskailla p-lohkon alkuaineilla, on usein erikoisia elektronirakenteita, kemiallisia sidoksia ja magneettisia ominaisuuksia johtuen atomien suuresta koosta ja suhteellisuusteoriaan liittyvistä ilmiöistä. Koska tällaisia systeemejä on usein vaikea tutkia kokeellisesti, tässä työssä elektronirakennetta ja ligandien ja metallitomien välisiä vuotovaikutuksia pyritään ymmärtämään kvanttikemiallisten laskentamallien avulla.

Ensimmäinen tutkimus keskittyy lantanoidien organometallisiin yhdisteisiin ja kyseenalaistaa perinteisen käsityksen täysin ionisesta sidoksesta. Yksityiskohtaiset laskut osoittavat, että metalliatomien d- ja s-orbitaalit osallistuat kovalenttisten sidosten muodostamiseen, joka puolestaan vaikuttaa metallin kidekenttään ja magneettiseen anisotropiaan. Toinen tutkimus tarkastelee laajaa joukkoa aktinoidien syklopentadienyylikomplekseja sisältäen kaikki aktinoidimetallit. Tutkimus osoittaa selviä eroja kevyempien ja raskaiden aktinoidien välillä, joka auttaa selittämään hapetusasteiden, redox-potentiaalien ja kemiallisen pysyvyyden. Se tunnistaa selkeän muutoksen elektronirakenteessa varhaisista aktinideista myöhempiin, mikä auttaa selittämään systemaattisia eroja hapetusasteissa, redox-potentiaaleissa ja kemiallisessa pysyvyydessä.

Kolmas tutkimus käsittelee raskaita p-lohkon alkuaineita yksinkertaisissa koordinaatioympäristöissä, jotka ovat. Tutkimus osoittaa, kuinka kontrolloimalla ligandien symmetriaa ja kidekenttää voidaan luoda tietynlaisia orbitaaliasetelmia ja siten magneettista anisotropiaa. Nämä kolme tutkimusta osoittavat, miten laskennallista kemiaa voi käyttää ymmärtämään yhtenäisyyksiä raskaiden alkueiden sidoksissa, magnetismissa ja reaktiivisuudessa. Tutkimukset ohjaavat uudenlaisten elektronisten ja magneettisten ominaisuuksien suunnittelussa funktionaalisiin materiaaleihin.