第一性原理对M@B_(12)N_(12)(M=Sc-Zn)团簇结构和性质的研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理对M@B_(12)N_(12)(M=Sc-Zn)团簇的几何、电子结构,电偶极性和红外吸收光谱进行详细的研究.结果显示:当B_(12)N_(12)团簇内嵌过渡金属原子后,虽然结构稳定性稍稍降低,但其化学活性得到提高,摩尔体积明显增大.过渡金属原子与B_(12)N_(12)结合的过程中,除Cu和B原子外,剩余金属与N原子的Mulliken电荷出现负值.另外,金属原子的加入,不仅增加电偶极矩和极化率的值,还促使其红外吸收光谱发生红移.

GeO^(+)分子离子光谱性质的理论研究

采用多参考组态相互作用(MRCI)的方法对GeO^(+)分子离子第一解离极限Ge^(+)(^(2)P_(u))+O(^(3)P_(g))对应的12个Λ-S态进行从头计算,获得全部的势能曲线(PECs).通过求解一维径向薛定谔方程获得束缚态的光谱常数,与实验以及理论结果进行比较,吻合较好.同时,计算了Λ-S态对应的电偶极矩(DMs),分析了曲线随核间距变化的规律.通过自旋-轨道耦合矩阵元的数值对电子态密集交叉处的振动能级的扰动情况进行讨论.根据理论计算得到1^(2)Σ+-X^(2)Π和2^(2)Π-X^(2)Π态间的跃迁偶极矩(TDMs)、弗兰克-康登因子(FCFs),同时拟合出了跃迁状态的自发辐射寿命.

硫醇吸附挥发性有机气体(VOCs)的气敏机理

化学电阻气体传感器对于空气质量、食品检测和人体呼吸有着重要作用.传感器上修饰物硫醇与待测的VOCs之间吸附的气敏机理分析是选择硫醇、预测吸附能力与特异性的重要手段.本文选取了11-巯基-1-十一醇(MUD)和4-甲氧基苄硫醇(MTT)两种常见的硫醇与六种典型的VOCs(乙醇ETN、异丙醇IPA、丙酮ACN、正己烷HXN、甲苯TLN、苯甲醛BND),基于密度泛函理论(DFT),计算其表面静电势(ESP)并建立气体吸附模型.在气体吸附模型的基础上计算其吸附能,并分析其弱相互作用,从微观角度解释气体吸附的作用机理.实验结果表明,具有羟基的MUD分子对同样有羟基的气体(如ETN、IPA)能够以氢键的方式吸附,具有较强的选择效果;具有苯环的MTT分子与具有苯环结构的气体分子(如TLN、BND)吸附时会在苯环之间形成π-π堆积,基于色散作用进行吸附,这表明MTT分子对具有苯环结构的气体有着较强的吸附作用.研究发现其色散作用吸附的强弱与分子的表面ESP绝对值有关.本文对于传感器表面修饰物吸附气体的气敏机理进行了探究,并对表面修饰物的选择和实验结果预测提供了理论指导.

氟诺哌齐结构和性质的密度泛函理论研究

氟诺哌齐是一种新型的抗阿尔茨海默病临床候选药物,目前尚处于临床试验阶段;对氟诺哌齐进行密度泛函理论研究,有助于揭示其分子的性质和功能.在B3LYP/6-311+G(d,p)基组水平上,采用密度泛函理论(DFT)的方法优化氟诺哌齐的分子结构;在相同基组水平下经过谐振频率分析,证实了12种分子构象的稳定结构,并确定了优势构型为DC20-1.根据Marcus理论,对其重组能进行模拟计算,得出氟诺哌齐分子不具备运输性质.通过前线轨道(FMO)分析,发现氟诺哌齐分子具有一定的电子跃迁能力和分子内反应活性,活性反应位点为C15、O28、C23和O26.根据红外光谱、紫外-可见吸收光谱模拟计算结果,对谱图数据进行了讨论分析,研究结果可作为氟诺哌齐表征和鉴别的参考依据.

生物炭表面NO吸附特性的量子化学研究

生物炭表面具有丰富的官能团,通过化学吸附可以与一氧化氮(NO)分子形成稳定化学键,廉价易得且环境适应性强,具有广阔的应用前景.然而,当前对生物炭表面NO吸附特性的研究大多仍停留在宏观层面,缺乏深入的微观机制解析.本文基于密度泛函理论,深入研究了生物炭表面一氧化氮(NO)的吸附转化路径,从分子层面揭示了生物炭对NO的吸附特性.研究结果显示,N-down型吸附构型的能量普遍低于O-down型吸附构型,是较为可能的吸附构型,并且含氧原子的官能团在NO的吸附和氨(NH_(3))的形成过程中扮演着关键角色.此外,通过对N-down型构型的进一步分析发现,在与活性位点结合后,NO将优先取代羟基,最终在生物质焦炭表面转化为NH_(3).同时,基于变分过渡态理论(CVT)计算了反应速率,发现NO优先反应的途径将受到不同区域内反应速率的限制.本文通过量子化学方法深入揭示了生物炭表面NO吸附特性的微观机制,为优化生物炭在NO治理中的应用提供了理论支持.

理论研究IIB族金属二氢化物分子的基态性质

基于小核能量一致性相对论赝势,采用密度泛函理论和耦合簇理论,分别在标量和二分量水平上计算研究了MH_(2)(M=Zn,Cd,Hg,Cn)分子的平衡键长和振动频率.计算结果显示,HgH_(2)和CnH_(2)的自旋轨道耦合效应较为明显.采用的8种泛函总体较好地评估了自旋轨道耦合效应.耦合簇理论计算的ZnH_(2)、CdH_(2)、HgH_(2)的键长和Σ_(u)振动频率与实验值偏差略大,这可能是由于其多参考态特性较明显.二分量PBE泛函计算的键长和Σ_(u)振动频率与实验值最接近.目前最重的CnH_(2)相关研究未见报道,研究给出了其键长和振动频率的理论值.

铂修饰氮化铝纳米管对CO的吸附性能研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了铂修饰的(5,5)氮化铝纳米管的几何结构、电子性质以及与一氧化碳(CO)之间的相互作用.结果表明:铂原子吸附于氮化铝纳米管表面氮原子的顶位时能量最低.铂原子附近可以吸附四个CO分子,平均吸附能在1.189-2.940 eV之间,铂原子的修饰有效提高了氮化铝纳米管对CO分子的吸附能力.本研究为实验上开发制备性能更加优良的CO气体传感器提供理论指导.

Ag^(+)、Zn^(2+)、Cr^(3+)改性Y型分子筛吸附脱除喹啉的模拟计算研究

首先考察了吸附时间对三种改性Y型分子筛AgY、ZnY、CrY吸附脱除模拟燃料中喹啉的影响,结果发现三种分子筛对喹啉的吸附容量和去除率大小顺序均为:AgY>CrY>ZnY.运用Materials Studio软件,采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)和密度泛函理论(DFT)对改性Y型分子筛吸附喹啉机理进行了模拟计算研究,得出以下结论:模拟计算AgY、ZnY、CrY的比表面积和孔体积与其低温N2吸附-脱附表征结果基本一致,并且发现改性Y型分子筛的吸附脱氮能力与比表面积和孔体积关系不大;以Fukui函数为基础,采用Mulliken和Hirshfeld两种布局数分析方法模拟计算了三种改性Y型分子筛的相对亲电性并分析Lewis酸强弱,其Lewis酸大小顺序为:AgY>CrY>ZnY;对三种改性分子筛进行了前线轨道分析,其化学吸附活性大小为AgYCrY>ZnY,模拟计算所得各种结果与实验结果顺序完全一致.

基于结构动力学的EGFR罕见突变型(S768I)致NSCLC分子机制研究

表皮生长因子受体(EGFR)基因突变是导致非小细胞肺癌(NSCLC)的重要诱因.S768I点突变作为EGFR的一种罕见突变,目前尚无标准的靶向治疗方法,因此详细了解EGFR S768I突变体与野生型的结构差异对于开发相关药物至关重要.为了探究S768I突变在NSCLC中的作用,对WT-EGFR和S768I-EGFR进行分子动力学(MD)模拟、本质动力学(ED)分析和自由能图谱(FEL)重构.MD模拟表明S768I突变增加了EGFR的全局和局部柔性;ED分析得出的大尺度协同运动表明,区分活性状态和非活性状态的两个重要结构元件A-loop和αC-helix在S768I-EGFR中比在WT-EGFR中具有更明显的过渡到活动状态的趋势;自由能计算显示S768I-EGFR的FEL比WT-EGFR的更粗糙更复杂,这意味着S768I突变体具有更丰富的构象多样性.研究结果为S768I突变导致NSCLC提供了合理的分子机理解释,并为开发针对S768I突变患者的新靶向治疗药物提供帮助.

MgN_(4)掺杂石墨烯CO氧化催化活性的密度泛函研究

鉴于镁卟啉所呈现的催化活性,采用密度泛函理论考察了MgN_(4)结构掺杂石墨烯的CO氧化催化活性.研究发现MgN_(4)掺杂石墨烯具有良好的结构稳定性,O_(2)优先吸附在金属活性位点且不易解离.其CO氧化以Eley-Rideal(ER)机理实现,决速步能垒仅为0.67 eV,与FeC_(3)、AlN_(4)掺杂石墨烯具有相当的催化活性.MgN_(4)掺杂石墨烯有望是一种具有潜在CO氧化催化活性的催化剂.

煤表面含氧官能团吸附氮化物的模拟计算研究

煤表面六种常见的官能团结构单元包括酚羟基Ph-OH、羧基-COOH、羰基-C=O、醚键-O-、醇羟基R-OH和烷基R,采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)和密度泛函理论(DFT)从原子层面模拟计算煤表面官能团对苯胺、吡啶、喹啉三种典型氮化物的吸附性能.通过计算分析前线轨道、吸附能及分子间吸附距离等参数,探究三种氮化物在煤表面不同官能团上的吸附机理,结果表明煤表面模型上各官能团对三种氮化物的吸附强弱顺序均为:-COOH>R-OH>Ph-OH>-C=O>-O->R,三种氮化物在煤表面官能团的吸附强弱顺序为:吡啶>喹啉>苯胺.

冲击点火反应过程中RDX基PBX炸药的热辐射特性

研究冲击波流场中聚合物黏结炸药的热辐射特性可能是获取相关物质组分温度数据的重要途径。利用二级轻气炮加载技术、瞬态辐射测温方法及粒子速度剖面测量技术,探讨了聚合物黏结炸药/氟化锂窗口界面的热辐射特性及其与界面压力之间的相关性;同时,还优化了聚合物黏结炸药样品制备方法,显著抑制了包裹气体和界面间隙发光背景,给出了界面辐亮度数据及界面温度数据。结果表明,在连续2次冲击加载过程中,界面温度随时间衰减特征与反应产物的等熵膨胀行为密切相关,界面温度反映了界面处产物温度的演化行为,为直接观测点火反应和起爆释能期间非均质复合炸药的反应产物温度数据提供了一种可行的技术途径。

Fe_(n)Co_(55-n)与Co_(n)Mo_(55-n)(n=0~55)团簇基态的能量与结构演化

采用半经验的Gupta多体势函数结合遗传算法及分子动力学淬火算法,系统研究了Co_(n)Mo_(55-n)(n=0~55)与Fe_(n)Co_(55-n)(n=0~55)团簇的基态结构与能量.通过分析基态结构的相似函数、质心间距、平均键长、平均原子配位数、平均结合能、混合能与二阶差分能.探究了团簇基态的结构特征及稳定性与团簇所含元素种类及组分的关联.结果表明:对Co-Mo混合团簇,随Co原子数目增加,Co原子依次占据团簇中心与最外层顶点,混合团簇逐渐出现组分偏析与无序现象;对Fe-Co混合团簇,基态结构主体上均体现为围绕Mackay二十面体构型的结构畸变,随Fe原子含量增加,Fe原子先占据团簇外表面顶点位置直到全部包裹Co原子,逐渐形成核壳式结构;Co_(13)Mo_(42)与Fe_(42)Co_(13)是幻数结构团簇,研究发现组分效应导致的团簇高对称性相比团簇平均键长与平均原子配位数更能解释幻数结构的成因.

Fe_(n)Mo_(38-n)(n=0-38)及Fe_(n)Mo_(55-n)(n=0-55)双金属团簇的结构演化和基态能量

基于半经验的Gupta多体势,采用遗传算法及分子动力学淬火算法,系统研究了(FeMo)m(m=38及55)双金属团簇的基态结构及其能量.结果表明:对于Fe_(n)Mo_(38-n)(n=0-38)团簇,随Fe原子数的增加,Fe原子优先占据团簇表面再占据内部,其基态构型存在类O_(h)结构、类I_(h)结构和无序结构间的竞争.对于Fe_(n)Mo_(55-n)(n=0-55)团簇,随Fe原子数的增加,Fe原子优先占据团簇中心位置,再依次占据表面顶点、棱边和次外层,双金属团簇基态构型主要体现为在Mackay二十面体基础上的结构畸变.Fe_(24)Mo_(14),Fe_(13)Mo_(42)和Fe_(43)Mo_(12)为幻数结构团簇,研究发现双金属团簇幻数成因不能通过单质团簇常用的平均配位数和平均键长模型解释,它更多的归咎于组分效应导致的结构高对称性.

基于便携式近红外技术的高粱品种无损鉴别研究

不同高粱品种直接决定其所酿酱香型白酒的品质高低,因此高粱品种的鉴别尤为重要。本研究利用便携式近红外光谱结合化学计量学方法建立高粱品种鉴别模型,采集了25、45、65 ms三个积分时间下的粳高粱和糯高粱在完整以及粉末两种状态的光谱数据,利用单一及组合光谱预处理方法消除光谱中存在的干扰,结合无监督识别方法主成分分析(principal component analysis,PCA)和3种有监督模式识别方法线性判别式分析(linear discriminant analysis,LDA)、偏最小二乘判别分析(partial least square discriminant analysis,PLS-DA)以及软独立模式识别法(soft independent mode classification analysis,SIMCA)分别构建了不同品种高粱的鉴别模型。结果表明,光谱预处理方法能够有效消除干扰;无监督方法无法实现不同品种高粱鉴别,有监督模式识别方法结果能实现高粱品种鉴别,其中LDA>PLS-DA>SIMCA;三个积分时间下,粉末高粱结果优于完整高粱;三个有监督鉴别模型的65 ms的结果较差,45 ms积分时间下的鉴别结果最佳,原始光谱均能达到100%鉴别。以上结果表明,便携式近红外光谱仪结合模式识别方法可以实现糯高粱和粳高粱的准确无损鉴别。

eMD:基于异构计算的大规模分子动力学模拟软件

【目的】异构计算已经成为高性能计算的重要组成部分,GPU异构计算可显著提速计算密集型的分子动力学模拟应用,本文介绍自研分子动力学模拟软件eMD的系统设计及其异构计算应用。【方法】首先介绍eMD软件的目标定位,包括应用功能和计算性能两方面;然后介绍软件概要设计,包括框架、模块和接口等组成部分;重点围绕面向异构计算的软件架构设计和移植优化技术进行阐述。【结果】eMD软件系统基于GPU异构计算可实现大规模体系模拟,同时提供特色的分子动力学模拟算法和模型。【结论】eMD将充分发挥GPU异构计算算力,以提升分子动力学模拟应用效率,助力分子建模理论方法的创新应用和分子科学问题的研究。

X_(2)(PO_(4))_(2)(X=Ba、Pb)和XPO_(4)(X=Y、Bi)中阳离子对结构框架影响及双折射率来源研究

基于密度泛函理论对P—O配位四面体与Y、Ba、Pb和Bi构成的Ba3(PO_(4))2、Pb3(PO_(4))2、BiPO_(4)和YPO_(4)的几何结构、电子结构、光学性质进行系统探究。研究表明,通过金属原子替换可以改变化合物结构框架,从而调节其带隙及光学性能,为设计综合性能优异的材料提供了一条有效途径。Ba3(PO_(4))2、Pb3(PO_(4))2、BiPO_(4)和YPO_(4)均为间接带隙化合物且都具有较宽的带隙,带隙依序为5.188、3.879、3.870和4.886 eV;由Mulliken布居分析可知Ba、Pb、Bi和Y与O键合形成O—X(X=Ba、Pb、Bi和Y)键,其键长相近并呈现较强离子键性质。四种化合物的导带底为金属阳离子的最外层轨道所占据,价带顶的主要贡献者是O-2p轨道,O原子的2p轨道还在费米能级附近表现出较强的局域性,P-3p轨道与O的2p轨道成键,P—O表现为强的共价键。Ba3(PO_(4))2、Pb3(PO_(4))2、BiPO_(4)和YPO_(4)四种晶体的双折射率分别为0.0037、0.0270、0.0590和0.1490,其中BiPO_(4)和YPO_(4)的双折射率和各向异性在四种体系中较大,这是因为不同阳离子导致不对称的晶体结构框架产生。

共轭高聚物双分子结构中激子电致解离的动力学研究

通过绝热动力学方法,研究了共轭高聚物双分子结构中激子对外加电场的响应.当外电场强度超过某个临界值时,激子会被解离成一对自由的电子与空穴.对于双分子结构中的激子,其临界解离电场除了受电子与电子相互作用以及电声相互作用影响之外,还受分子间相互作用的影响.由动力学演化的计算得到,激子临界解离电场强度随分子间相互作用强度的增大而呈非线性降低;随电子与电子相互作用强度的增大呈非线性减小的变化;但是,随电声耦合强度的增大却呈现出线性增大的变化.

C_(2)N_(2)异构体的结构和稳定性

采用高精度量子力学计算方法研究C_(2)N_(2)分子体系基态精确的电子结构,构建其异构化势能面,分析其反应机制。获得的研究结果有助于今后C_(2)N_(2)及其相关分子的星际探测和实验室制备。

SiTe分子激发态光谱性质的理论研究

采用多参考组态相互作用(MRCI)的方法研究了Si Te分子的电子结构,获得18个Λ-S态的势能曲线.基于势能曲线(PECs)通过数值积分方法获得电子态的光谱常数.计算Si Te分子的电偶极矩(PDMs)并分析电子组态的变化对电偶极矩的影响.此外,计算得到的势能曲线表明,11Π和13Π态与附近的5个电子态(13Σ^(+),13Δ,11Σ^(-),13Σ^(-),11Δ)在16500~27400 cm^(-1)的能量区域内密集分布,邻近的电子态对13Π态有明显的扰动作用.通过11Π和13Π态的自旋-轨道耦合矩阵元,分析电子组态与自旋-轨道耦合矩阵元的关系.最后,计算了SiT e分子21Σ^(+)-X1Σ^(+),13Π-13Δ,11Π-X1Σ^(+),13Π-13Σ^(-)和13^(+)Σ^(-)13Π的跃迁偶极矩(TDM)以及11Π-X1Σ^(+)和21Σ^(+)-X1Σ^(+)的辐射寿命.