Quantum chemistry computations of the adsorption, diffusion and reactivity of atoms and light radicals on the surfaces of interstellar grains

Abstract

Aquesta tesi presenta un estudi exhaustiu de la química dels grans interestel·lars utilitzant tècniques computacionals de darrera generació. Comprendre la química dels grans interestel·lars és essencial per desentranyar l’evolució química de l’univers, però està limitat pels reptes que suposa reproduir i caracteritzar els processos en experiments de laboratori i models astroquímics. Per superar aquestes limitacions, aquesta tesi se centra en diversos processos de superfície, com ara l’adsorció, la reactivitat, la difusió i la dissipació d’energia. Mitjançant l’ús de tècniques computacionals per obtenir informació a nivell atòmic, aquesta investigació complementa les observacions i els models, aportant nova llum sobre els mecanismes, l’energètica i la dinàmica dels processos interestel·lars.

En concret, aquest treball investiga les interaccions de diverses molècules interestel·lars amb models de superfície de gel interestel·lar, la reactivitat de l’àtom de carboni en gels rics en H2O i CO, el procés de dissipació d’energia en reaccions superficials exotèrmiques (com la formació de NH3) i la difusió atòmica interestel·lar. En simular aquests processos in silico, aquesta investigació revela nous coneixements sobre els mecanismes, l’energètica i la dinàmica dels processos interestel·lars que no són accessibles mitjançant altres mètodes.

La contribució d’aquesta investigació al camp de la química interestel·lar és doble. En primer lloc, proporciona una comprensió a nivell atòmic dels processos químics que tenen lloc als grans interestel·lars, com la formació i evolució de molècules orgàniques complexes. En segon lloc, proporciona paràmetres importants i precisos que es poden utilitzar com a entrada per a models astroquímics, una eina essencial per interpretar les observacions astronòmiques.

En general, aquesta tesi fa avançar la nostra comprensió de la química dels grans interestel·lars en proporcionar una imatge més completa i matisada dels processos químics que tenen lloc en els grans interestel·lars, i en oferir noves perspectives sobre la formació i evolució de molècules orgàniques complexes a l’univers.

Esta tesis presenta un estudio exhaustivo de la química de los granos interestelares utilizando técnicas computacionales de última generación. Comprender la química de los granos interestelares es esencial para desentrañar la evolución química del universo, pero está limitado por los retos que supone reproducir y caracterizar los procesos en experimentos de laboratorio y modelos astroquímicos. Para superar estas limitaciones, esta tesis se centra en varios procesos de superficie, como la adsorción, la reactividad, la difusión y la disipación de energía. Mediante el uso de técnicas computacionales para obtener información a nivel atómico, esta investigación complementa las observaciones y los modelos, arrojando nueva luz sobre los mecanismos, la energética y la dinámica de los procesos interestelares.

En concreto, este trabajo investiga las interacciones de varias moléculas interestelares con modelos de superficie de hielo interestelar, la reactividad del átomo de carbono en hielos ricos en H2O y CO, el proceso de disipación de energía en reacciones superficiales exotérmicas (como la formación de NH3) y la difusión interestelar atómica. Al simular estos procesos in silico, esta investigación revela nuevos conocimientos sobre los mecanismos, la energética y la dinámica de los procesos interestelares que no son accesibles mediante otros métodos.

La contribución de esta investigación al campo de la química interestelar es doble. En primer lugar, proporciona una comprensión a nivel atómico de los procesos químicos que tienen lugar en los granos interestelares, como la formación y evolución de moléculas orgánicas complejas. En segundo lugar, proporciona parámetros importantes y precisos que pueden utilizarse como entrada para modelos astroquímicos, una herramienta esencial para interpretar las observaciones astronómicas.

En general, esta tesis hace avanzar nuestra comprensión de la química de los granos interestelares al proporcionar una imagen más completa y matizada de los procesos químicos que tienen lugar en los granos interestelares, y al ofrecer nuevas perspectivas sobre la formación y evolución de moléculas orgánicas complejas en el universo.

This thesis presents a comprehensive study of the chemistry of interstellar grains using state-of-the-art computational techniques. Understanding interstellar grain chemistry is essential in unraveling the chemical evolution of the universe, but it is limited by the challenges of reproducing and characterizing processes in laboratory experiments and astrochemical models. To overcome these limitations, this thesis focuses on several key surface processes, including adsorption, reactivity, diffusion, and energy dissipation. By using computational techniques to provide atomic-level information, this research complements observations and models, shedding new light on the mechanisms, energetics, and dynamics of interstellar processes.

Specifically, this work investigates the interactions of several interstellar molecules with interstellar ice surface models, the reactivity of the carbon atom on H2O- and CO-rich ices, the energy dissipation process in exothermic surface reactions (such as NH3 formation) and atomic interstellar diffusion. By simulating these processes in silico, this research reveals new insights into the mechanisms, energetics and dynamics of interstellar processes that are not accessible through other methods.

The contribution of this research to the field of interstellar chemistry is twofold. First, it provides an atomic-level understanding of the chemical processes occurring on interstellar grains such as the formation and evolution of complex organic molecules. Second, it provides important and accurate parameters that can be used as input for astrochemical models, an essential tool for interpreting astronomical observations.

Overall, this thesis advances our understanding of interstellar grain chemistry by providing a more complete and nuanced picture of the chemical processes that occur on interstellar grains, and by offering new insights into the formation and evolution of complex organic molecules in the universe.