Procesos químicos con oxigeno y nitrógeno sobre beta-cristobalitaestudio teórico desde primeros principios.

Resumen

El objetivo principal de esta tesis es el estudio de los procesos fisico-químicos que tienen lugar en las interfases gas-superficie sólida, partiendo desde primeros principios y haciendo un estudio de estructura electrónica, dinámico y cinético de los mismos.En particular, se pretende hacer un estudio teórico de algunas de las reacciones producidas en las superficies de los vehículos espaciales durante su reentrada en la atmósfera de la Tierra (78% N2, 21% O2, y 1% Ar). Estos vehículos llegan a velocidades de entre 22 y 30 veces la velocidad del sonido, con temperaturas que oscilan entre 500 y 1600 K en diferentes partes del vehículo, siendo la parte delantera y las alas, las zonas que alcanzan las temperaturas más elevadas. Así, este trabajo se centrará principalmente en el estudio de las reacciones con las especies atómicas de O y N (ya que las especies moleculares se disocian al colisionar con los vehículos espaciales) sobre superficies sólidas del tipo óxido (SiO2). Esta información tiene una gran trascendencia para el diseño de sistemas de protección térmica (TPS) de los vehículos espaciales, ya que estos TPSs deben tener un coeficiente catalítico muy bajo para reducir el flujo de calor que se transfiere a la superficie debido en parte al mecanismo de recombinación atómica sobre la misma.Con la finalidad de evitar estos calentamientos en la superficie se utilizan distintos tipos de materiales en forma de recubrimiento en los TPSs, sobre todo en la parte delantera del vehículo. El trasbordador espacial presenta un sistema de TPS basado en el uso de materiales de revestimiento con una gran capacidad térmica en combinación con un gran aislamiento térmico para evitar la conducción de calor al interior del vehículo. El mejoramiento de estos materiales ha sido el tema de varias investigaciones para obtener más durabilidad, mayor resistencia al choque térmico, menor conductividad térmica, . etc.La importancia de estos sistemas de protección térmica se ha hecho más relevante, desde las misiones Mercury, Gemini y Apollo que usaban unos sistemas de protección ablativos, que dejaban la cápsula en condiciones inutilizables para futuras expediciones. Su importancia se acentuó con el grave accidente que sufrió el Columbia en el año 2003. En el trasbordador americano (Shuttle) se usa una mezcla de materiales reaction-cured glass (RCG) con composición: 92% SiO2, 5% B2O3 y 3% SiB4 en algunas partes del fuselaje. Además de los mecanismos de recombinación atómica también pueden ser importantes los otros procesos elementales que intervienen en la catálisis heterogénea: la difusión, adsorción, las reacciones químicas, la desorción atómica y molecular y la difusión de los productos. Por tanto, nuestro objetivo se centra en el estudio teórico de las distintas etapas de la catálisis siendo nuestra superficie uno de los polimorfos de la sílice, en particular, la beta-cristobalita, ya que es el polimorfo de la sílice estable a temperaturas elevadas y a presiones bajas. Se deben mejorar los modelos cinéticos existentes, ya que tratan la superficie como si fuese totalmente catalítica. Los mecanismos y las constantes de los distintos procesos gas-superficie en condiciones de no-equilibrio no son bien conocidos. De hecho, muchos de estos procesos no se han caracterizado a bajas temperaturas. Por eso, se precisan datos experimentales y teóricos para simular (p. ej., mediante códigos de dinámica de fluidos) los vuelos de los trasbordadores con varios sistemas de protección térmica. Muchos de los modelos cinéticos experimentales para las reacciones en aire sobre varios tipos de sílices (p. ej., Pyrex, cuarzo, RCG,.) asumen un valor promedio de la energía de adsorción del O y N de Ead=3.5 eV, aunque también en otros se usan valores comprendidos entre 2.5 - 5.5 eV. Estas energías de adsorción derivan de modelos cinéticos que ajustan datos experimentales de los procesos Eley-Rideal/Langmuir-Hinshelwood. También existen medidas experimentales sobre el coeficiente de recombinación de oxígeno atómico (gamma-O) sobre sílice, indicando que este coeficiente es un factor de tres veces más bajo en beta-cuarzo que en beta-cristobalita, por tanto, muy dependiente de la estructura de sílice.En primer lugar, se presentan los conceptos fundamentales teóricos empleados en esta tesis, desde la modelización de sistemas periódicos, la teoría del funcional de la densidad, pasando por la explicación del método empleado en la construcción de las superficies de energía potencial interpoladas, terminando con una explicación del método de trayectorias clásicas. Las dos últimas secciones son las más elaboradas en esta tesis, y las que más esfuerzo de programación han requerido.El Capítulo 3 se centra en el estudio teórico de algunos polimorfos de la sílice, en particular alfa y beta-cuarzo, beta-tridimita y beta-cristobalita. El objetivo de este estudio es testear la metodología utilizada, la teoría del funcional de la densidad con ondas planas, y con ella determinar los parámetros estructurales y calcular las energías de cohesión de dichos sólidos, antes del estudio de los procesos reactivos sobre beta-cristobalita.El Capítulo 4 se refiere a la segunda etapa de la catálisis heterogénea, la adsorción atómica de O y N sobre beta-cristobalita; en primer lugar se presentan los cálculos de adsorción realizados a nivel DFT; en segundo lugar se construyen dos superficies de energía potencial multidimensionales (SEP1 y SEP2), las cuales son analizadas con mucho detalle y finalmente, se realiza el estudio dinámico sobre ambas superficies mediante trayectorias clásicas con el objetivo de obtener información detallada del proceso de sticking.El Capítulo 5 tiene como objetivo principal el estudio de la dinámica y la cinética de la reacción Eley-Rideal. Se sigue la misma estructura que en el Capítulo 4; primero se calcula toda la información a nivel DFT necesaria para construir las superficies de energía potencial. En particular, se construyen cuatro modelos de SEPs, teniendo en cuenta si la superficie analítica total es rígida (con dimensión 6) o no rígida (multidimensional). Así pues, se han construido 8 modelos de SEPs. En todas ellas se analiza la topología de las mismas y se comparan con la información DFT. La dinámica mediante trayectorias clásicas se lleva a cabo con todas las SEPs, tanto en condiciones de equilibrio térmico como en condiciones estado específicas. En condiciones de equilibrio térmico se calculan también el coeficiente de recombinación atómico (gamma-O(T)) y el coeficiente de acomodación energético (beta-O(T)), que da cuenta de la fracción de energía que se transfiere al sólido de la energía total accesible de la reacción. Aparte de los coeficientes térmicos, se realiza un estudio detallado de los niveles vibrorrotacionales con los que se forma la molécula de O2 gas, en todas las condiciones iniciales estudiadas. Finalmente, se presenta un estudio cinético preliminar de la reacción E-R, primero a partir de las probabilidades calculadas en la dinámica, y después empleando métodos estadísticos (teoría del estado de transición, teoría variacional y standard, con inclusión de un efecto túnel semiclásico.