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Claudia Stangarone (Ciclo XXIX)

         

 

Tutor / Supervisor: prof. Mario Tribaudino

Progetto di ricerca - Calcoli ab initio di frequenze vibrazionali IR per l’interpretazione di spettri di emissività termica dei principali minerali della superficie di Mercurio

La mia tesi di dottorato è volta a sviluppare un modello di interpretazione degli spettri di emissività termica delle principali famiglie di minerali che costituiscono la superficie di Mercurio, per mezzo di calcoli ab initio delle frequenze vibrazioni IR ad alta temperatura (HT). I calcoli ab initio vengono quindi eseguiti sia a temperatura ambiente che ad alta temperatura, con lo scopo di simulare la condizioni ambientali presenti sulla superficie di Mercurio.
L’analisi dei dati calcolati è in grado di mostrare dei dettagli degli spettri che sono importanti per assegnare un background teorico per un’interpretazione dei dati sperimentali (acquisiti in laboratorio o in remote sensing), ma anche per comprendere quali frequenze sono influenzate dall’aumento di temperatura, durante l’insolazione della superficie planetaria e quali invece no.
Lo studio si focalizza ora sui silicati ortorombici ricchi in magnesio, prevalentemente orto-enstatite e forsterite, che si suppone siano due componenti della superficie di Mercurio.
Metodologia: i calcoli vengono effettuati con CRYSTAL14, un programma di chimica quanto meccanica basato su metodi ab initio, che, a differenza di altri programmi di calcolo, impiega come basis set per calcolare la densità elettronica, funzioni atomiche localizzate (AO: orbitali atomici).  Il codice è stato sviluppato per calcolare e predire le proprietà di nanostrutture, molecole e solidi cristallini, sfruttando la simmetria del sistema in esame. L’utilizzo di hamiltoniane ibride HF/DFT è particolarmente indicato per il calcolo delle frequenze vibrazionali del reticolo cristallino.
Parallelamente, le frequenze vibrazionali sono state anche misurate sperimentalmente. Spettri Raman, se non direttamente disponibili, vengono confrontati con i dati presenti in letteratura, con lo scopo non solo di verificare l’accuratezza dei dati calcolati, ma anche per sottolineare gli aspetti strutturali che più influenzano gli shift dei picchi Raman. Le misure di spettroscopia IR (emissività termica e riflettanza IR) sono condotti all’Istituto di Ricerche Planetarie del Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR) a Berlino, in collaborazione con il Laboratorio di Spettroscopia ed Emissività Planetaria (PEL).
Il mio progetto di dottorato in mineralogia è articolato in collaborazione fra il dipartimento di Fisica e Scienze della Terra dell’Università di Parma e il Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Torino.

PhD project – Ab initio calculation of HT-IR vibrational frequencies for the interpretation of emissivity spectra of the main minerals of Mercury surface 

My PhD thesis aims to develop a model to interpret thermal emissivity spectra of the main families of minerals that compose the surface of Mercury, by means of ab initio calculation of HT-IR vibrational frequencies. To do so, I am performing ab initio calculations of vibrational frequencies, both at room and high temperature, in order to simulate environmental condition on Mercury surface.
The analysis of the calculated data points out interesting spectral features which will be helpful to assign a theoretical background for systematic interpretations of the experimental data, (laboratory and remote sensing), but also to understand which frequencies are influenced by temperature that occurs during the insolation of the surface and which not.
The study is now focused on orthorhombic Mg-rich silicates, mostly on orthoenstatite and forsterite, which are supposed to be constituent of Mercury’s surface.
Methodology: Calculations are performed using CRYSTAL14, a quantum chemistry program for ab initio methods, that employs localized atomic functions (AO: atomic orbitals) as a basis set, to build the electron density. The code has been developed to calculate and predict the properties of nanostructures, molecules and crystalline solids, exploiting the symmetry of the system examined. The use of hybrid HF/DFT functional is particularly suitable for the calculation of vibrational frequencies of 3D lattice.
On the other hand, vibrational frequencies have been also measured experimentally. Raman spectroscopy data, if not directly available, are acquired from literature, with the aim not only to verify the accuracy of calculated data, but also to enlighten major structural features affecting the changes in Raman peak positions. IR reflectance spectroscopy/emissivity measurements are carried out at the Institute of Planetary Research of Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR) in Adlershof, Berlin, collaborating with IR spectroscopy laboratory/Planetary Emissivity Laboratory (PEL).
The Ph.D. in Mineralogy is articulated as a collaboration between the Department of Physics and Earth Sciences, University of Parma and the Department of Earth Sciences, University of Turin. 

Pubblicazioni scientifiche peer review / Peer review publications

RAMAN MODES IN PBCA ENSTATITE (Mg2Si2O6): AN ASSIGNMENT BY QUANTUM MECHANICAL CALCULATION TO INTERPRET EXPERIMENTAL RESULTS, Stangarone, C., Tribaudino, M., Prencipe, M., Lottici P.P., 2016, Journal of Raman Spectroscopy 

Presentazioni a congressi e seminari / Conference contributions

Oral:
• UNDERSTANDING PYROXENE VIBRATIONAL PROPERTIES: AB INITIO CALCULATED AND EXPERIMENTAL RAMAN SPECTRA OF SPODUMENE (LIALSI2O6), C.  Stangarone, M.  Prencipe, L.  Mantovani, D.  Bersani, M.  Tribaudino, P.P. Lottici, Congresso Congiunto SGI-SIMP 2014: 87° Congresso della Società Geologica Italiana e 90° Congresso della Società Italiana di Mineralogia e Petrologia, Milano 10-12 Settembre 2014
• PBCA ENSTATITE: A QUANTUM MECHANICAL APPROACH Stangarone C.*, Tribaudino M., Lottici P.P. & Prencipe M. : Analysing the Raman vibrational pattern of Mg2Si2O6  Congresso congiunto SIMP-AIV-SoGeI-SGI, 2-4 September 2015, Florence, Italy
• HOW TO STUDY MERCURY’S SURFACE IN REMOTE SENSING: EXPERIMENTALLY ACQUIRED AND AB INITIO CALCULATED HT-IR VIBRATIONAL FREQUENCIES Stangarone C.*, Tribaudino M., Prencipe M. & Helbert J.,  Congresso congiunto SIMP-AIV-SoGeI-SGI, 2-4 September 2015, Florence, Italy

Poster:
• AB INITIO CALCULATED AND EXPERIMENTAL RAMAN SPECTRA OF CA-MG GERMANATE (CaMgGe2O6): STUDYING PHASE TRANSITIONS OF THE EARTH MANTLE, Stangarone C., Lambruschi E., Aliatis I., Prencipe M., Bersani D., Mantovani L., Tribaudino M., Lottici P.P. & Redhammer G., Congresso Congiunto SGI-SIMP 2014: 87° Congresso della Società Geologica Italiana e 90° Congresso della Società Italiana di Mineralogia e Petrologia, Milano 10-12 Settembre 2014
• AB INITIO CALCULATED AND EXPERIMENTALLY MEASURED RAMAN SPECTRA OF SPODUMENE  (LiAlSi2O6),  C.  Stangarone, M.  Prencipe, L.  Mantovani, D.  Bersani, M.  Tribaudino, P.P. Lottici, Book of Abstract, 11th GeoRaman International Conference, June 15-19, 2014, St. Louis, Missourri, USA
• AB INITIO MODELLING OF VIBRATIONAL SPECTRA OF MINERALS: STUDYING MERCURY’S SURFACE IN REMOTE SENSING Stangarone C.*, Tribaudino M., Prencipe M. & Helbert J., 8th European Conference on Mineralogy and Spectroscopy (ECMS 2015), 9-11 September 2015, Rome, Italy 
• UNRAVELLING THERMAL EMISSIVITY SPECTRA OF THE MAIN MINERALS ON MERCURY’S SURFACE BY COMPARISON WITH AB INITIO CALCULATED IR-HT VIBRATIONAL FREQUENCIES Stangarone C.*, Helbert J., Tribaudino M., Prencipe M., Maturilli A., D’amore M., Ferrari S., AGU Fall Meeting, 14-18 December 2015, San Francisco, USA
• AB INITIO CALCULATED REFLECTANCE SPECTRA AT ROOM AND HIGH TEMPERATURE OF Mg-SILICATES OF MERCURY SURFACE: A TOOL TO INTERPRET THERMAL IR EMISSIVITY SPECTRA ACQUIRED IN REMOTE SENSING, C. Stangarone, J. Helbert, A. Maturilli, M. D’Amore, S. Ferrari, M. Tribaudino, M. Prencipe, 47th Lunar and Planetary Science Conference (LPSC), the Woodlands, Texas, March 21–25, 2016.
 

Corsi e stage / Short courses and stages

  • Scholarship: DAAD (Deutscher Akademischer Austauschdienst) scholarship for a short term grant for an internship of three months at Institute for Planetary Research at Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR), Berlin, Germany, October- December 2015
  • Scholarship: Bando di ateneo per la mobilità dei dottorandi 2015-2016, Università degli Studi di Parma January-March 2016
  • Internship abroad: Institute for Planetary Research, Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR), Berlin, Germany, October 2015 – March 2016

Altre attività / Other activities

  • Teaching assistant, during Prof. Mario Tribaudino’s mineralogy lessons at Physic and Earth Science Dep., University of Parma
  • Scientific exhibition: CRISTALLI! 11 October – 30 November 2014, Scuderie della Pilotta, Parma (organizing committee, webmaster, web designer, photographer)
  • Scholarship: DAAD (Deutscher Akademischer Austauschdienst) scholarship for a short term grant for an internship of three months at Institute for Planetary Research at Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR), Berlin, Germany, October- December 2015
  • Scholarship: Bando di ateneo per la mobilità dei dottorandi 2015-2016, Università degli Studi di Parma January-March 2016
  •  Internship abroad: Institute for Planetary Research, Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR), Berlin, Germany, October 2015 – March 2016
  • Test assistance for data acquiring test on BepiColombo/MERTIS instrument at European Space Research and Technology Centre (ESTEC) in Noordwijk, Netherlands, October 19-21 2015.
  • Invited speaker at Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR), Berlin, Germany, November 18th, 2015, Unravelling vibrational frequencies of crystal lattices Quantum Mechanical approach and possible application in Planetary Science
  • Invited speaker at Integrative Research Institute for the Sciences (IRIS), Humboldt Univaersitat, Berlin, Germany, April 5th, 2016: Ab initio simulations of Raman spectra by means of CRYSTAL code and hybrid Hamiltonians
  • Invited speaker at GNM conference: Modelling the mineralogical world: How and Why, Rome, Italy June 14-15, 2016:  Unravelling vibrational frequencies of crystal lattices: quantum mechanical approach and possible application in Planetary Science
Pubblicato Lunedì, 7 Marzo, 2016 - 14:05 | ultima modifica Martedì, 31 Maggio, 2016 - 15:17