混合量子-经典非绝热动力学理论与应用

Electronically non-adiabatic processes are essential parts of photochemical process, collisions of excited species, electron transfer processes, and quantum information processing. Various non-adiabatic dynamics methods and their numerical implementation have been developed in the last decades. This review summarizes the most significant development of mixed quantum-classical methods and their applications which mainly include the Liouville equation, Ehrenfest mean-field, trajectory surface hopping, and multiple spawning methods. The recently developed quantum trajectory mean-field method that accounts for the decoherence corrections in a parameter-free fashion is discussed in more detail.     

1，8-二羟基-2-萘甲醛激发态双质子转移反应的MS-CASPT2//CASSCF研究

激发态双质子转移反应长期困扰着理论和实验科学家并成为了一个悬而未决的热点问题. 本文利用完全活化空间自洽场方法及其二阶微扰理论(MS-CASPT2//CASSCF)系统地研究了典型体系1,8-二羟基-2-萘甲醛(DHNA)的激发态双质子转移反应以及相关的激发态弛豫过程. 在MS-CASPT2//CASSCF水平下,本文优化了三个能量相近但结构不同的S₁态互变异构体,即S1-ENOL、S1-KETO-1和S1-KETO-2,以及两个关键的S₁/S₀锥形交叉点结构,即S1S0-KETO-1和S1S0-KETO-2. 其中,两个极小点S1-KETO-1和S1-KETO-2与实验上观测到的双荧光发射现象密切相关. 本文还利用MS-CASPT2//CASSCF方法计算了双质子转移反应的二维势能面以及从极小点到交叉点结构的线性内插路径;相应计算结果证实了DHNA体系具有分步的激发态双质子转移机制. 具体来说,从S1-ENOL到S1-KETO-1的第一个质子转移过程是无能垒的,而从S1-KETO-1到S1-KETO-2的第二个质子转移过程则需要克服一个大约6.0 kcal/mol的能垒. 此外,由于从S1-KETO-1 (S1-KETO-2)到S1S0-KETO-1 (S1S0-KETO-2)的线性内插路径显示DHNA体系需要翻越一个约为12.0 kcal/mol的能垒,因此DHNA体系将在S₁态上停留一段时间并发生双荧光发射现象. 当然,S₁/S₀锥形交叉点也会促使DHNA体系从S₁态内转换到S₀态,而这会一定程度上降低DHNA体系发射荧光的效率. 可以通过限制C5-C8-C9-O10二面角旋转来降低体系的内转换效率,进而提高DHNA体系的发光效率. 本工作不仅有助于理解激发态双质子转移机制,还有助于设计具有优异发光性能的新型分子材料.     

噁唑体系激发态质子转移和失活的理论研究

利用高精度的CASSCF和MS-CASPT2电子结构计算方法系统地研究了2-(2'-羟基苯基)-4-甲基噁唑的光物理和光化学机理. 在CASSCF级别,首先优化得到势能面极小结构和圆锥交叉结构,及激发态质子转移、异构化、和失活的极小能量路径. 然后用MS-CASPT2方法对所有得到的结构和能量路径进行单点能量校正,我们发现在含有OH…N氢键的构象异构体中,激发态质子转移基本上是一个无垒的过程;在含OH…O 氢键的构象异构体中,激发态质子转移被抑制了. 此外,找到两个能量较低的酮式S₁/S₀圆锥交叉结构,使得激发态质子转移生成的S₁酮式结构可以很快失活到达基态. 但是,醇式S₁/S₀圆锥交叉结构能量较高,抑制了S₁醇式结构的激发态失活.