非迭代冻结密度近似方法在计算氢键相互作用的合理性研究

为计算相互作用较弱的分子碎片之间的耦合能,Harris从密度泛函理论出发,提出了一种简化方法,即冻结密度近似(FDA)方法.对该方法在描述分子间氢键作用的合理性进行了验证.对水分子间的HO┉H氢键、甲酰胺与水分子间的NH┉O氢键、二氟甲烷和水分子间的OH┉F氢键,以及DNA中的碱基(AT,GC)之间的N—H┉O,N—H┉N等类型的氢键的计算表明:若电子交换关联采用非定域自旋密度近似,FDA的计算结果同其他abinitio方法的计算结果以及实验结果都符合得很好.FDA在计算过程中既不需要求解泊松方程,也不需要进行反复的自洽迭代,所以运算速度较快,在研究生物大分子体系中的氢键相互作用方面具有一定的使用价值 关键词： 冻结密度近似 氢键 密度泛函     

酞菁及其过渡金属配合物与富勒烯非共价相互作用的密度泛函理论方法研究

精确计算酞菁、卟啉及其过渡金属配合物与富勒烯分子间非共价相互作用能,探讨其相互作用本质,需要完成由上百个原子构成的超分子复合物、涉及数千个基函数第一性原理计算,对于当前的理论方法和计算机发展水平都构成严峻的挑战.本文首先选择酞菁…C₆₀、酞菁镍…C₆₀和酞菁锌…C₆₀作为此类非共价复合物的代表.在保留它们分子间相互作用区域结构特征前提下,裁剪成四氮杂卟啉…碗烯、四氮杂卟啉镍…碗烯和四氮杂卟啉锌…碗烯三个模型.通过大规模的CCSD(T)/CBS计算,获得了此三个模型的达到化学精度的分子间相互作用能.以此为基准,从27种密度泛函及其色散和非局域校正方法中,筛选出ωB97M-V,ωB97X-D和BLYP-D3BJ方法,其结果与CCSD(T)/CBS基准值相差均在化学精度范围,特别是ωB97M-V方法,最大误差仅为0.05 kcal/mol,很好地重现了CCSD(T)/CBS的计算结果,说明ωB97M-V方法不仅适用于主族元素分子间非共价相互作用的研究,对于涉及Ni, Zn等闭壳层过渡金属配合物与富勒烯相互作用能计算同样是非常优...     

离子化程度对硼取代富勒烯C19Bn+（n=0-3）体系储氢性能的影响

本文采用密度泛函理论方法，研究了氢气分子在硼取代富勒烯C19Bn+（n=0-3）表面的非解离吸附态、化学吸附态、及吸附态之间转换过渡态的结构和能量，得到了吸附态之间转换反应的势能面. 研究表明通过调整体系的离子化电荷可以调整吸附位点的电荷布居数，随着硼取代富勒烯离子化体系C19Bn+的吸氢活性位点电荷布居数增大，氢分子被极化的程度以及氢分子在材料表面的吸附能均逐渐增大，同时改变电荷布居数也对氢气分子在表面吸附态间转变势垒高度产生了量级为几个Kcal/mol的影响. 希望我们的研究能够对富勒烯储氢的进一步发展提供参考.     

苯二聚体的密度泛函和分子力场的理论研究

针对苯二聚体中的六种重要构象的相互作用,对四种新的密度泛函方法(B97-D、BLYP-D3、M06-2X、XYG3)和常用的分子力场(CHARMM、AMBER、MM3、AMOEBA)进行了系统的评测.研究结果不仅突出了这些新型密度泛函方法,特别是XYG3泛函在 描述- 相互作用体系的实用性,同时也为进一步发展适合描述相互作用体系的分子力场奠定了基础.     

Li修饰的C24团簇的储氢性能

利用密度泛函理论研究了Li原子修饰的C₂₄团簇的储氢性能. Li原子在C₂₄团簇表面的最佳结合位是五元环. Li原子与C₂₄团簇之间的作用强于Li原子之间的相互作用, 能阻止它们在团簇表面发生聚集. 当Li原子结合到C₂₄表面时, 它们向C原子转移电子后带正电荷. 当氢分子接近这些Li原子时, 在电场作用下发生极化, 通过静电相互作用吸附在Li原子周围. 在Li修饰的C₂₄复合物中, 每个Li原子能吸附两到三个氢分子, 平均吸附能处于0.08到0.13 eV/H₂范围内. C₂₄Li₆能吸附12个氢分子, 储氢密度达到6.8 wt%.     

钴修饰单壁碳纳米管的贮氢性能

本文利用密度泛函理论中的广义梯度近似系统地研究了Co原子修饰的(5,5)单壁碳纳米管(SWCNT)的贮氢性能.结果表明:Co原子以桥位的形式吸附于(5,5)SWCNT表面能量最低,在Co原子周围可以吸附3个完整的氢分子,Co原子的修饰提高了(5,5)SWCNT对氢分子的吸附能力.态密度图显示(5,5)SWCNT具有金属性,磁矩为0,Co-SWCNT和Co-SWCNT·n H_2(n=1-3)的磁矩为1μB,氢分子的吸附未改变体系的磁性.Co-SWCNT·3H_2的氢分子平均吸附能为0.51 e V,适中的吸附能有利于常温常压下实现可逆贮氢.     

分子和金表面相互作用的第一性原理研究

硫氢官能团可以很强地吸附于金表面上,从而可作为连接体用于纳米电子学中的分子器件.从第一性原理出发利用密度泛函理论研究了4,4′二巯基联苯分子和金表面的相互作用,并利用了前线轨道理论和微扰理论定量地确定了该相互作用能常数.计算结果表明,当含有硫氢官能团的有机分子化学吸附于金表面时,硫原子将与金原子形成以共价键为主的混和键,此时一些分子轨道扩展于金原子和有机分子中,这些轨道为分子结中电子的输运提供了通道,从而可使分子线的电导呈现出欧姆特性.而其他分子轨道具有局域性,此时电子的输运只能通过隧道效应来实现. 关键词： 化学吸附 分子线 分子电子学     

胆红素分子激发态性质的密度泛函理论研究

胆红素是人体胆汁中的主要色素,与人体健康密切相关.结合荧光蛋白的胆红素分子代表一类新型荧光发色团,在生物成像和生物传感领域有着重要应用.本文结合隐式溶剂模型和线性响应含时密度泛函理论方法计算了胆红素分子最低单重激发态的垂直激发能、振子强度和垂直发射能.以实验测量值和高水平RIADC(2)计算值作为参考,系统考察了一系列密度泛函方法的预测表现,结果发现最优化调控区间分离密度泛函方法整体表现最优,预测的绝对误差和相对误差最小.这得益于泛函中包含适宜的准确交换项比例能够产生既不离域也不局域的电子结构.在最优化调控泛函方法计算的波函数基础上,基于空穴-电子分析和片段间电荷转移方法定量表征了胆红素分子最低单重激发态,发现其具有杂化局域-电荷转移的激发特征.相信本工作可以为今后研究胆红素分子的激发态动力学过程和光谱性质提供重要理论依据,该最优化调控理论模型也可以为接下来其他生物分子体系的激发态性质研究提供可靠、高效的理论工具.     

单个钛原子储氢能力和储氢机制的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了单个过渡金属钛原子吸附氢分子的物理机制. 研究表明,单个钛原子最多能吸附8对氢分子,吸附结构为对称的两个类金字塔型结构, 其平均吸附能为- 0.28 eV.通过计算轨道能级和差分电荷密度分布,分析决定吸附结构、 吸附能大小以及吸附氢分子数目的内在物理机制.研究表明,钛原子的4s电子转移到3d轨道上, 从而产生较强的极化电场,导致氢分子极化,钛原子通过静电极化作用吸附氢分子. 本文的研究将对设计高密度储氢材料有一定的指导作用.     

木犀草素和鸟嘌呤间相互作用的理论研究

采用密度泛函理论中的B3LYP方法对木犀草素和鸟嘌呤之间的相互作用和机理进行研究,分别找到了十八种木犀草素和鸟嘌呤复合物. 结果表明这些复合物是通过氢键相互作用而稳定存在的. 利用分子中的原子理论(AIM)和自然键轨道理论(NBO)对体系中的氢键进行研究. 通过基组重叠误差校正的复合物间的相互作用能为6.04～56.94 kJ/mol,计算结果表明在木犀草素-鸟嘌呤复合物中有很强的氢键相互作用. 比较了木犀草素和四个DNA碱基间的相互作 用,发现木犀草素-胸腺嘧啶是最强的,木犀草素-腺嘌呤是最弱的.     

水分子链受限于单壁碳纳米管结构的密度泛函理论研究

本文采用第一性原理的密度泛函理论,主要以(6,6)Armchair型,(11,0)Zigzag型单壁碳纳米管为研究对象,研究了水分子链在碳纳米管内部吸附的稳定结构,以及结合能随其结构的变化.结果表明:当水分子链受限于碳纳米管内部时,引起碳纳米管直径收缩,这主要是由于水分子链与碳纳米管之间的氢键作用以及范德华弱相互作用所引起的.随着碳纳米管半径的增加,两种单体之间的结合能逐渐减小,但当碳纳米管半径增加至6.78时,其结合能又有所增加,这是由于在优化过程中,水分子链单体之间的氢键作用大于水分子链与碳纳米管之 关键词： 水分子链/单壁碳纳米管 密度泛函理论 结构稳定性     

受限于对称性破缺狭缝间氢键流体的相平衡研究

利用密度泛函理论并结合改进的基本度量理论研究了受限于对称性破缺狭缝间氢键流体的相平衡. 首先根据氢键流体的吸附-脱附等温线及相应巨势获得不同条件下氢键流体的相图. 进一步讨论了氢键作用、狭缝间距、狭缝与流体分子间相互作用及对称性破缺程度等因素对氢键流体相平衡的影响. 结果表明, 由于狭缝与流体分子及流体分子间的相互作用存在竞争, 使得受限于对称性破缺条件下的氢键流体呈现更为复杂的相态特征.     

碱金属钠原子修饰硅原子团簇的结构及储氢性能研究

提出碱金属钠原子修饰笼形Si_6团簇的结构模型,采用密度泛函理论(DFT)研究钠原子修饰笼形Si_6团簇的结构及储氢性能.研究结果表明,氢分子与笼形Si_6团簇表面相互作用很弱,氢分子在其表面容易脱附.采用钠原子修饰笼形Si_6团簇后可有效避免氢分子的脱附,并且钠原子在笼形Si_6团簇的表面不发生团聚,有利于氢分子在其表面吸附和循环利用.研究发现在两个钠原子修饰笼形Si_6团簇的结构中,每个钠原子可以有效吸附六个氢分子.计算得到Na2Si_6团簇结构储氢的质量分数高达10.08 wt%,且氢分子的平均吸附能约为0.837 kcal/mol.可见,实现钠原子修饰笼形Si_6团簇结构在常温常压条件下储氢是有可能的.     

Dispersion forces

The interaction energy between two atoms is calculated including radiative corrections. It is shown that the interaction energy can be expressed in terms of the frequency-dependent polarizability and this leads to some simple approximate methods for the calculation of this energy. Magnetic dipole terms are also included and these terms are found to give a difference in the dispersion energy between two optically active molecules depending on whether they have identical or mirror image configurations. They may also be important for molecules with low-lying magnetic excited states.     

Calculation of higher-order approximations of the coefficients of the Herman-Wallis factor. Test for hydrogen halides

The higher-order approximations of the perturbation theory for the Herman-Wallis factor, which describes the effect of the vibrational-rotational interaction on the matrix elements of dipole moments of diatomic molecules, are calculated within the formalism of quantum number polynomials. An algorithm for taking into account higher orders of the perturbation theory for calculating random coefficients is found; the algorithm has a better convergence than previous theoretical methods. As applied to hydrogen halides, the results obtained agree well with current experimental data.     

Theoretical study of hydrogen adsorption in Ti-decorated capped carbon nanotube

We present ab initio study using dispersion-corrected density functional theory calculations to investigate the hydrogen interaction with Ti-coated, one end closed, single-walled carbon nanotube (SWCNT). Our results demonstrate that a single Ti atom binds up to five hydrogen molecules on SWCNT cap top, whereas adsorption of four hydrogen molecules is energetically more favourable. The analyses from adsorption energy profile, highest occupied molecular orbital–lowest unoccupied molecular orbital gap and Mulliken charge distribution show contrast in first hydrogen molecule adsorption compared with the rest of four configurations. This is clearly due to the strongly different bonding nature of first hydrogen adsorption among others, between hydrogen molecules and Ti-coated SWCNT. These results not only support our understanding of adsorption nature of hydrogen in Ti-coated SWCNTs but also suggest new directions for smart storage techniques.     

Sc-Decorated WS_2 Nanoribbons as Hydrogen Storage Media

The hydrogen storage behavior of Sc-decorated WS_2 monolayer and WS_2 nanoribbons is systematically studied by using first principles calculations based on the density functional theory.The present results indicate that an Scdecorated WS_2 monolayer is not suitable for storing hydrogen due to the weak interaction between the monolayer WS_2 sheet and the Sc atoms.It is found that both the hybridization mechanism and the Coulomb attraction make the Sc atoms stably adsorb on the edges of WS_2 nanoribbons without ciustering.The 2SC/WS_2NRS system can adsorb at most eight H_2 molecules with average adsorption energy of 0.20eV/H_2.The resuits show that the desorption of H_2 is possible by lowering the pressure or by increasing the temperature.     

激发态下甘氨酸与水分子间氢键性质研究

在生物体中氨基酸通常以水作为溶剂,是形成细胞的重要成分.在该环境下,分子间氢键的产生会对氨基酸分子与水分子的结构和性质产生影响.为了研究其在基态和激发态下的性质,本文利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)对甘氨酸分子和H₂O分子在基态和激发态下的分子间氢键的静电势、键长、自然键轨道(NBO)电荷、分子中的原子理论(AIM)分析、Wiberg键级b、红外(IR)光谱、空穴-电子轨道和基态与激发态之间的电子转移进行了理论研究.结果表明：分子间氢键的形成会导致分子结构的改变和红外光谱振动频率的移动.在激发态下,分子间氢键有不同程度的增强或减弱.该计算结果为氢键的形成和激发态下分子间氢键的研究提供理论依据.     

Fourier transform infrared spectral study of N,N′-dimethylformamide-water-rhodamine 6G mixture

Infrared absorption spectra of N,N′-dimethyl formamide in the absence and presence of water, rhodamine 6G and water–rhodamine 6G mixture are reported. Assignment of observed bands has been made on the basis of density functional theory calculations and available assignments in the literature. Certain bands show changes in their positions and intensities when water is added to N,N′-dimethylformamide. This is due to hydrogen bonding interaction between these molecules. Similar changes are also observed for dimethylformamide and Rh6G mixture to a lesser extent. The presence of Rh6G in a dimethylformamide–water mixture reverses these spectral changes due to preferential solvation of Cl^? by water molecules. Solvation reduces or nullifies the hydrogen bonding between dimethylformamide and water in the mixture.