La teoría cuántica de átomos en moléculas (QTAIM) es un modelo de sistemas electrónicos moleculares y de materia condensada (como los cristales) en los que los objetos principales de la estructura molecular (átomos y enlaces) son expresiones naturales de la función de distribución de densidad de electrones observable de un sistema. Una distribución de densidad de electrones de una molécula es una distribución de probabilidad que describe la forma promedio en que la carga electrónica se distribuye por todo el espacio real en el campo de atracción ejercido por los núcleos. Según QTAIM, la estructura molecular es revelada por los puntos estacionariosde la densidad electrónica junto con las trayectorias de gradiente de la densidad electrónica que se originan y terminan en estos puntos. QTAIM fue desarrollado principalmente por el profesor Richard Bader y su grupo de investigación en la Universidad McMaster a lo largo de décadas, comenzando con análisis de densidades electrónicas calculadas teóricamente de moléculas simples a principios de la década de 1960 y culminando con análisis de densidades electrónicas de cristales medidas tanto teórica como experimentalmente. en los años 90 El desarrollo de QTAIM se basó en la suposición de que, dado que los conceptos de átomos y enlaces han sido y siguen siendo tan útiles en todas partes para interpretar, clasificar, predecir y comunicar la química, deberían tener una base física bien definida.
QTAIM recupera los conceptos operativos centrales de la hipótesis de la estructura molecular, la de un agrupamiento funcional de átomos con un conjunto de propiedades aditivo y característico, junto con una definición de los enlaces que unen los átomos e imparten la estructura. QTAIM define el enlace químico y la estructura de un sistema químico basado en la topología de la densidad de electrones . Además de los enlaces, QTAIM permite el cálculo de ciertas propiedades físicas por átomo, al dividir el espacio en volúmenes atómicos que contienen exactamente un núcleo, que actúa como un atractor local de la densidad electrónica. En QTAIM, un átomo se define como un sistema abierto adecuado, es decir, un sistema que puede compartir energía y densidad de electrones que se localiza en el espacio 3D . El estudio matemático de estas características se suele denominar topología de densidad de carga en la literatura .
QTAIM se basa en el hecho de que la propiedad topológica dominante de la gran mayoría de las distribuciones de densidad de electrones es la presencia de máximos fuertes que ocurren exclusivamente en los núcleos, ciertos pares de los cuales están unidos entre sí por crestas de densidad de electrones. En términos del campo vectorial de gradiente de una distribución de densidad de electrones, esto corresponde a una partición completa y sin superposición de una molécula en cuencas tridimensionales (átomos) que están unidas entre sí por separatrices bidimensionales compartidas (superficies interatómicas). Dentro de cada superficie interatómica, la densidad de electrones es máxima en el punto de silla internuclear correspondiente, que también se encuentra en el mínimo de la cresta entre el par correspondiente de núcleos, la cresta está definida por el par de trayectorias de gradiente (trayectoria de enlace) que se originan en el punto de silla y terminan en los núcleos. Debido a que los átomos de QTAIM siempre están limitados por superficies que tienen un flujo cero en el campo del vector de gradiente de la densidad electrónica, tienen algunas propiedades mecánicas cuánticas únicas en comparación con otras definiciones de subsistemas, incluida la energía cinética electrónica única. La satisfacción de un teorema virial electrónico análogo al molecular. electrónicoteorema virial y algunas propiedades variacionales interesantes. QTAIM se ha convertido gradualmente en un método para abordar posibles preguntas sobre sistemas químicos, en una variedad de situaciones difícilmente manejadas antes por cualquier otro modelo o teoría en química . [1] [2] [3] [4]