多原子体系非绝热动力学的近似理论方法

非绝热动力学普遍存在于光物理和光化学过程中。描述非绝热跃迁需要处理电子-原子核间的相互耦合运动。由于计算量随体系尺度增大剧烈增长,准确的量子动力学计算目前只适用于描述小分子体系。为了研究多原子分子体系的非绝热过程,近年来发展了一些基于量子-经典动力学近似方法。本文将对典型的这类方法包括经典Ehrenfest方法、面跳跃方法、基于Wigner表示的混合量子-经典方法进行简要的介绍,并讨论如何将量子-经典动力学方法与电子结构从头算手段相结合,模拟非绝热过程。重点阐明各种方法的基本思想和优缺点,并对该领域的发展进行展望。     

非绝热聚合波的数学模拟

对非绝热波聚合体系进行了数学模拟, 将反应器尺寸与聚合波关联, 建立了非绝热条件下蔓延聚合波波速和最大波温的数学模型; 利用所建模型计算不同引发剂浓度、 不同环境温度、 不同试管直径下淀粉接枝聚合波的波速和波温, 并与实验测定值进行了比较. 结果表明, 非绝热聚合波的数学模型对无相变体系的拟合结果令人满意, 对聚合波的发生条件及反应器尺寸的影响有很好的预见性; 另一方面, 对于存在相变及与环境有质量交换的波聚合体系, 所建模型的预测性受到了限制.     

非绝热分子动力学模拟A位阳离子对钙钛矿热载流子弛豫的影响

钙钛矿具有优异的光学和电学性质,近年来成为太阳能电池领域的研究热点.大量实验报道钙钛矿热载流子弛豫时间变化顺序为CsPbBr₃>MAPbBr₃(MA=CH₃NH₃)>FAPbBr₃[FA=HC(NH₂)₂],但A位阳离子(Cs⁺,MA⁺,FA⁺)对弛豫快慢的影响机制仍不明确.采用基于含时密度泛函理论的非绝热动力学方法研究了上述3种钙钛矿热电子和热空穴的能量弛豫动力学,计算得到的热载流子弛豫时间与实验结果吻合.结果表明,A位阳离子通过静电和氢键作用影响其与无机Pb—Br骨架的电子-振动耦合,使非绝热耦合强度遵从FAPbBr₃>MAPbBr₃>CsPbBr₃的变化趋势,进而使热载流子弛豫时间尺度变化趋势与之相同,表明合理选择A位阳离子可以优化钙钛矿太阳能电池的性能.     

[2＋4]光环加成中的非绝热相互作用

The S1→S0 nonadiabatic coupling terms are calculated for different reaction modes of concerted [2 + 4] photocycloadditions in the Huckel-Hubbard approximation. The nonadiabatic transition probabilities are estimated by means of the Landau-Zener model as well. The calculated nonadiabatic coupling terms and transition probabilities show clearly the differences between the nonadiabatic interactions of the two reaction modes s+a (or a+s) and s+s. With these calculated results the stereospecifities in concerted [2+4] photocycloadditions are correctly predicted.     

非绝热量子散射动力学

综述了非绝热化学过程的研究,着重介绍了含时波包非绝热量子动力学方法,以及在化学反应中的非绝热动力学、光解非绝热动力学及非绝热传能过程的应用.     

防晒化合物咖啡酸的直接-非绝热动力学（英文）

作为防晒霜中一种广泛使用的成分,咖啡酸具有很强的紫外线吸收能力.本文通过研究咖啡酸的光诱导动力学,探讨其光保护机制.在半经验电子结构理论水平上使用直接面跳跃模拟方法研究最稳定的咖啡酸异构体非绝热动力学.从不同电子态开始进行动力学模拟,探讨光诱导反应通道对激发波长的依赖性.结果表明,氢原子解离和环变形驱动的通道主导了咖啡酸的非绝热动力学.同时改变激发波长会调控通道的分支比例,本研究揭示了咖啡酸化合物光保护原理的分子机制.     

非离子表面活性剂在气液界面的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究了十二烷基醇聚氧乙烯醚系列非离子表面活性剂单分子层在气液界面的微观结构,并通过表面张力的计算考察了表面活性剂分子结构与性能的关系.研究结果表明,随着表面活性剂分子乙氧基基团个数的增加,模拟所得的表面张力的变化趋势与实验一致,所有分子的计算误差在5 mN·m-1以内.同时,随着乙氧基基团数目的增加,...     

2-甲基呋喃分子激发态超快非绝热动力学

Excited-state dynamics of 2-methyl furan has been studied by femtosecond time-resolved photoelectron imaging. The molecule 2-methyl furan was simultaneously excited to the n=3 Rydberg series of S₁[¹A(π3s)], ¹A'(π3p_x), ¹A(π3p_y) and ¹A(π3p_z) and the valence state of ¹A'(ππ^*) by two 400 nm photons and subsequently probed by two 800 nm photons. The average lifetime of the Rydberg series and the valence state was measured to be on the time scale of 50 fs by the time-dependent ion yield of the parent ion. Ultrafast internal conversions among these excited states were observed and extracted from the time-dependences of the photoelectron kinetic energy components of these excited states in the photoelectron kinetic energy spectra. Furthermore, it is identified that the ¹A'(ππ^*) state might play an important role in internal conversions among these excited states. The Rydberg-valence mixings, which result in numerous conical intersections, act as the driving force to accomplish such ultrafast internal conversions.     

非连续分子动力学模拟方法及其在大分子研究中的应用

计算机模拟技术已成为大分子构象等基础研究的一种重要手段。非连续分子动力学模拟(DMD)与传统的分子动力学模拟(MD)方法有所不同,基于不连续势能和相关的模拟编程方法,运行速度大大提高。本文讨论了DMD方法的特点,总结了DMD方法的应用,重点以蛋白质折叠为例介绍了如何使用DMD方法,最后对DMD方法的发展前景进行了展望。     

高分子粗粒化分子动力学模拟进展

模拟与理论、实验相互补充,彼此验证,使我们在原子和分子尺度上理解相关实验现象中的微观物理机制。结合高性能计算机和计算技术的发展,模拟已发展成为独特的高分子科学研究手段,在高分子材料优化设计和性能与结构问的性能关系研究中起重要作用。高分子具有不同层次的结构,材料的性质和功能不仅取决于化学结构和分子性质,而且很大程度上取决...     

绝热式热动力学的研究：Ⅳ.可逆反应的热谱解析

本文建立了可逆反应在绝热系统中的热动力学研究法，并用自制的绝热式自动热量计，研究了三个可逆反应体系的热动力学，验证了本文方法的正确性。     

Pu-H2体系从头算分子动力学的研究

本文应用Gaussian09程序,通过密度泛函理论的相关方法,对钚-氢气体系进行了计算和分析。计算得到了钚与氢气的沿势能剖面的各个特殊点的几何结构。通过约化密度梯度分析方法分析了反应路径中的所有特殊结构的化学键的性质。通过从头算分子动力学的计算,由直接经典轨迹的计算结果得到了反应体系的几何结构、能量随时间的变化,并分析得到体系的大部分能量转化为反应产物的振动能。     

分子动力学模拟飞秒激光对C60光裂解反应机理的影响

基于半经典分子动力学方法模拟超快激光诱导的C60光裂解反应.选择能量为2.0eV,半峰全宽(FWHM)分别为40和500fs的激光作用于C60分子,调节脉冲强度使其发生裂解反应,比较长短脉宽飞秒激光对C60裂解反应机理的影响.通过分析产物分布、原子平衡指数、温度以及吸收能量(包括动能、势能和电子能量),证实飞秒激光脉冲下C60的光裂解主要由电子激发态控制,非热力学效应在该反应中起重要作用.激光场的作用时间和强度均影响光裂解反应过程,而电子吸收能量饱和后光场强度的作用则变得不明显.     

分子动力学模拟技术在生物分子研究中的进展

Molecular dynamics simulation (MDS) has gained increasing importance in current-day scientific research, as the supplement, guidance, or even replacement of experiments. In this review, we briefly introduce the history of the development of molecular dynamics simulation, focusing on recent progress including new-generation force fields, modern enhanced sampling schemes, and application for the investigation of complex biomolecules.     

近代低温绝热量热学的研究现状及发展前景

低温绝热量热法是化学热力学研究领域中重要的实验方法之一。由此方法所获得的许多结果,如宽温区摩尔热容、标准熵、标准热力学函数、相变温度、相变焓、相变熵、相变机理以及与物质结构和能量相关的许多其它重要信息,对各种物质或材料的理论研究和应用开发具有重要的指导作用。为此,本文对低温绝热量热法的研究意义、仪器发展概况和趋势、国内外研究现状、应用前景及研究课题展望等作了较为详细的评述。     

石墨烯/聚乙烯界面导热性能的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学模拟(NEMD)方法研究了石墨烯/聚乙烯纳米复合材料的界面导热性能,主要考察了石墨烯层数、尺寸对界面热阻的影响.研究结果表明:当石墨烯层数为一层时,界面热导为46.79 MW/(m~2K),随着石墨烯层数的增加,界面热导下降;但石墨烯层数超过四层后,界面热导趋于恒定接近39.00 MW/(m~2K);随着石墨烯尺寸的增大,石墨烯中较长波长声子被引发并对界面热传导起到主要的作用,最终导致界面热导逐渐增大.     

利用基于直接动力学的轨线面跳跃方法处理非绝热过程

势能面交叉引起的非绝热过程广泛存在于光化学和光物理中。对这一过程进行描述是理论化学的重要挑战之一。非绝热过程涉及原子核与电子之间的耦合运动,因此量子化学的基本假设之一"玻恩-奥本海默"近似被打破,所以对其进行描述需要发展新的动力学理论方法。在这些方法中,Tully发展的最少轨线面跳跃方法凭借易于程序化、便于计算等优点已经发展成为处理非绝热问题的主要动力学方法之一。其中原子核以经典的方式在单一势能面上进行演化,电子以量子的方式沿着同一轨线进行演化。在整个演化过程中,非绝热跃迁通过轨线在不同势能面间的跃迁来描述,其中跳跃发生的几率与电子的演化有关。如果将该方法与从头算直接动力学相结合,可以在全原子水平上研究实际分子体系的非绝热动力学,给出其激发态寿命、非绝热动力学中分子的主要运动方式、反应通道以及分支比等重要信息。本文旨在讨论最少面跳跃直接动力学方法研究非绝热问题的一些进展,包括动力学基本理论,特别关注将最少面跳跃方法和直接动力学结合的数值实现细节,同时讨论该方法在研究实际体系当中的一些应用,并对轨线面跳跃方法下一步发展的一些方向进行合理的展望。