含能双环HMX衍生物分子设计的密度泛函研究

运用DFT-B3LYP/6-311G(d,p)方法,计算了所设计的三种双环HMX（2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷）衍生物分子。基于理论晶体密度和固态生成热计算衍生物分子的爆轰性能;通过前线轨道能与特征高度（h50）评价衍生物分子的感度。结果表明,理论晶体密度均高于1.90 g.cm-3,爆速高于9.0 km.s-1,爆压约为40 GPa。三种双环HMX衍生物分子是潜在的高能量密度材料。     

含能材料中键离解能的密度泛函理论计算

通过计算一个包括臭氧,硝基甲烷以及1,3,5 -三硝基-1,3,5-三氮杂环已烷(RDX)在内的典型系统的键离解能,对由四种交换/相关函数(BLYP,B3LYP,B3PW91和B3P86)加上不同的基函数组合而成的多种密度泛函方法的准确性进行了比较研究.结果表明:B3P86/6-31G**是计算该系统C-NO2,O-O和N-NO2键离解能的最可靠的方法.     

扑尔敏分子的密度泛函理论研究

马来酸氯苯那敏（chlorpheniramine maleate,CPM）,化学名为2-[对-氯-α-（二甲氨基）乙基丁苯基], 又名扑尔敏,分子式C20H23ClN2O4,本文采用密度泛函理论（density functional theory,DFT）,在M06-2X/6-311+g(d,p)水平上对扑尔敏分子的两种可能的结构进行了优化,优化结果显示分子基态结构具有C1对称性,分子由50个原子组成,共有144个简正自由度,所有的简正振动模式均具有拉曼活性。计算结果表明,吡啶环和苯环所在平面的二面角是92.1°,丁烯二酸和苯环所在平面的二面角是-174.5°。O40-H41和H41-N25键长分别为0.103nm、0.162nm,O40-H41-N25键角为175.29°,采用多功能波函数Multiwfn软件处理结果表明用于表征氢键强度的CVB指数（CVB指数越负,通常氢键越强。）为-0.2268,结果表明O40-H41-N25原子之间存在氢键,马来酸通过羧基上的氢原子和氯苯那敏吡啶环上的N原子通过氢键作用相结合;通过频率计算,获得了扑尔敏分子的拉曼光谱,并利用势能函数分布（PED）对拉曼光谱进行了指认,对谱图信息比较丰富的200-1800cm-1波段进行了分析归属;此外分析并讨论了扑尔敏分子的前线轨道,扑尔敏分子的最高占据轨道HOMO和最低未占据分子轨道LUMO轨道能量分别为-7.95ev、-1.05ev,能级差为6.90ev。为扑尔敏分子的光谱测定和电子结构分析提供了理论基础。     

ZnqCl2及其衍生物的电子光谱性质的含时密度泛函理论研究

采用从头算法(abinitio)和密度泛函理论(DFTB3LYP)方法,对二氯取代的八羟基喹啉锌(ZnqCl2)及其2种衍生物的基态结构进行优化,同时用abinitioHF单激发组态相互作用(CIS)法在6-31G(d)基组上优化其最低激发单重态几何结构,用含时密度泛函理论(TD-DFT/B3LYP)及6-31G(d)基组计算吸收和发射光谱。计算表明,该类物质电子在基态与激发态间的跃迁,主要是在配体8-羟基喹啉(q)环内的电荷转移,电子从含O的苯酚环转移至含N的吡啶环上,发射光谱的计算值与实验值基本符合。该类化合物的电子亲和能较大,都是优良的电子传输材料,改变中心金属原子对配合物光谱性质影响不大。     

氟虫氰表面增强拉曼光谱的密度泛函理论研究（英文）

2017年8月初,荷兰发现大范围鸡蛋受杀虫剂氟虫腈污染。用拉曼光谱检测的方法对解决氟虫腈检测问题做了一定的探索。为了获得氟虫腈分子的分子结构振动信息,根据密度泛函理论中的B3LYP杂化泛函和6-311G++(d,p)基组,对氟虫腈分子进行了几何结构优化和频率计算,得到了该分子的稳定构型和全部振动模式,计算了氟虫腈分子稳定构型的拉曼散射光谱。利用HORIBA公司的T64000型光栅共聚焦显微拉曼光谱仪采集了FP的拉曼光谱并配合使用Ag/Cu纳米基底采集了表面增强拉曼光谱,较强峰出现在211,308,350,867,1323和1432 cm-1处,次强峰出现在254,407,443,463,511,607,646,712,800,1065和1639 cm-1处。结果表明,理论计算得到的振动频率与实验测量值在全部较强峰处和部分次强峰处吻合的较好。并对FP分子200~2000 cm-1区间内各频率谱线对应的振动模式进行了归属指认,6个较强峰依由小到大的次序分别指认为21H-22H蜷曲振动,10F-11F变形振动和21H-22H面外摇摆振动,15N-22H蜷曲振动,6C伸缩振动和21H面内弯曲振动,苯环呼吸振动和9C伸缩振动,7H-8H面内弯曲振动。发现表面增强拉曼光谱相对于拉曼光谱整体有微小的频移,两者整体吻合较好,表面增强拉曼光谱中211,867,1400和1432 cm-1处的峰得到了选择性增强,根据表面增强拉曼光谱的选择定则,解释为相关振动峰的原子与银衬底表面或许为接近垂直的状态,并可能与银表面吸附。下一步计划将氟虫腈混入鸡蛋中,对氟虫腈在鸡蛋中不同浓度情况下进行指认研究。研究结果可为氟虫腈的拉曼光谱分析提供理论依据,将促进食品和农产品中氟虫腈残留的快速检测和在线检测研究。将拉曼光谱作为对传统化学检测方法的补充。     

分子对飞秒激光场响应的含时密度泛函理论研究

采用含时密度泛函理论方法研究线性分子碳化锂（Li2C2）对飞秒激光场响应的电子-离子动力学行为。在典型的近共振和非共振的激光频率作用下,分别对比分析了分子的共振和非共振电离过程。研究发现：分子在共振频率激光场的作用下发生更强的电离过程,并倾向于发生库伦爆炸,键长的振荡断裂与电离相互促进影响,而分子在较弱的激光场作用下发生单光子电离过程;随着双脉冲时间间隔的增加,离化电子数在一定范围内呈振荡上升趋势,随后趋于常数。     

质子与乙烯分子碰撞的密度泛函理论研究(英文)

采用含时局域密度近似与分子动力学相结合的方法研究了不同入射速度的质子与乙烯分子碰撞的动力学。计算了质子的能量损失及碰撞后乙烯分子的电子和离子的运动状态, 研究了质子的入射方向及入射动能对整个系统的碰撞动力学的影响。计算结果表明, 当入射质子的动能较小（E_k0<250 eV）时, 在相同的入射速度下, 当质子垂直于分子平面入射时, 系统的电离最大, 质子俘获的电子多; 当质子的入射动能E_k0>250 eV时, 质子的能量损失与入射方向有密切的关系。In the framework of the time dependent local density approximation (TDLDA),which applied to valence electrons, coupled non adiabatically to molecular dynamics of ions, the microscopic mechanisms of collisions between energetic protons and ethylene are studied. Not only the amount of energy lost of the projectile, but also the electron and vibration excitations of the target are identified. In addition, the influences of the collision orientation on the energy loss of the proton and excitation dynamics of ethylene are discussed. It is found that the ionization is enhanced and more electrons are captured by the proton when the proton with the impact energy less than 250 eV moves perpendicularly to the molecular plane. A strong relation between the proton energy lost and the impact orientation is obtained when the impact energy is larger than 250 eV.     

分子对飞秒激光场响应的含时密度泛函理论研究

采用含时密度泛函理论方法研究线性分子碳化锂(Li2C2)对飞秒激光场响应的电子-离子动力学行为.在典型的近共振和非共振的激光频率作用下,分别对比分析了分子的共振和非共振电离过程.研究发现:分子在共振频率激光场的作用下发生更强的电离过程,并倾向于发生库伦爆炸,键长的振荡断裂与电离相互促进影响,而分子在较弱的激光场作用下发生单光子电离过程;随着双脉冲时间间隔的增加,离化电子数在一定范围内呈振荡上升趋势,随后趋于常数.     

HIO3分子的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论对于HIO3分子的异构化及其消去反应势能面进行了细致的研究.B3LYP结合混合基组,对于O和H原子使用6-311 G(3df,3pd)基组,对于I原子使用3-21G基组,进行结构优化,振动频率计算以及电子拓扑学分析.在势能面上八个稳定的异构体结构被找到,经过计算稳定性如下:HOIO2-1>HOOOI-2>HOOOI-1>HOIOO-1>HOIOO-2>HOIO2-2>HIO3-1>HIO3-2,此外,势能面上存在三种稳定的松散复合物.对于势能面上IO HO2,OIO OH和IOO OH的反应机理进行了详细的讨论.利用振动模式分析的方法对于反应物,中间体,过渡态以及产物之间的关系进行明确的分析.此外,还应用电子密度拓扑学对于异构化及其消去过程进行分析.     

Al-Ferron配合物微观结构和形成机制的密度泛函理论研究（英文）

Al-Ferron配合物的形成是Ferron逐时比色法准确测定聚合氯化铝溶液中铝形态的重要过程,但Al-Ferron配合物的微观结构特性却一直没有被系统地研究。采用密度泛函理论(DFT)计算了Al-Ferron配合物在水溶液中可能存在的八种构型,充分证明了Al-Ferron配合物形态的复杂性。通过比较所有1∶1,1∶2和1∶3配合物的能量,推论出Al-Ferron配合物稳定构型的形成路径。     

1,8-萘酰亚胺类衍生物的结构特性对其吸收和发射光谱影响的密度泛函研究（英文）

利用B3LYP/6-31G(d)方法优化了一系列N取代1,8-萘酰亚胺类物质的结构,利用含时密度泛函TD-B3LYP/6-31+G(d)方法及C-PCM模式,计算了它们在气相及二氯甲烷溶剂中的吸收和发射光谱。利用计算得出的前线轨道电子云分布及其对应的能级对它们的取代基对电子吸收光谱的影响进行了讨论。结果表明:此种方法计算出的二氯甲烷溶剂中的1,8-萘酰亚胺的吸收光谱与实验光谱比较吻和。取代C=O基团的C=N基团及其成环在吸收光谱和发射光谱中发挥了重要的作用。酰亚胺结构上的改性即C=N基团的引入及在萘环上取代基一方面引入了结构上的不对称性,导致了衍生物的偶极矩的增大;同时结构上的改性扩展了萘酰亚胺共轭结构。4位取代NO_2衍生物从基态到第一激发态的Mulliken原子电荷比5位多一些,这意味着5位取代NO_2衍生物提供了较多的电子。对N(Ph)_2和N(Me)_2衍生物而言,他们4位取代衍生物提供了更多的电荷。前线轨道电子云表明:O=C—N—C=N基团改性扩展和N(Me)_2,N(Ph)_2和NO_2取代基拓展了这类分子的π—π*跃迁范围,从而使得前线轨道能级差降低,它们的吸收和发射光谱也发生了一定程度的红移。对给体取代基而言,它们的4位是电子传输态;对受体取代基NO_2而言,它们的5位是电荷传输态。当NO_2基团与C=O基团在同一侧及当N(Me)_2和N(Ph)_2与在C=N在同一侧时,此类化合物具有较好的传导特性。从化合物1到4,吸收光谱红移了139nm。电荷传输越明显,吸收光谱红移的就越多。O=C—N—C=O的结构改性及其电荷传输机理为今后的萘酰亚胺类物质的分子设计提供了设计理论依据。     

染料敏化太阳能电池光敏剂卟啉儿茶酚的密度泛函和含时密度泛函研究

用密度泛函理论的杂化密度泛函B3LYP方法研究了太阳能电池光敏荆5,10,15.三苯基-20-(3,4-二羟基苯)卟啉(卟啉儿荼酚,TPP-cat)的几何结构、电子结构、IR和Raman特性.用自然键轨道方法分析了电荷布居和成键性质.计算结果表明,最强的IR吸收峰位于1175.81 cm-1处,最强的Raman活性位于1587.18 cm-1处.采用含时密度泛函计算了TPP-cat在水溶液中的电子吸收谱,其Soret带和Q带均指认为π→π*跃迁,在大约354 cm-1处的跃迁与一个光诱导分子内电荷转移过程有关.     

高压下氯化钠型SnAs结构和电子性质的密度泛函理论研究（英文）

基于第一性原理计算方法研究了高压对氯化钠型SnAs结构和电子特性的影响.计算结果表明,晶格参数随着压力的增加而减小;状态密度显示随着压力的增加,As-p态的减小导致了SnAs电导率降低.通过对电荷密度和Mulliken重叠布居的研究,分析了Sn和As原子之间的键合情况,表明了SnAs中共价键随着压力的增加而增强.进一步分析得知费米能级电子态密度的降低,可能导致了Tc的降低.     

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.     

用于纳米粒子检测的双环谐振器（英文）

设计了一种可以探测单个纳米粒子的光学传感器结构,该结构由双环、双环间耦合区的通孔和直波导构成,并引入了Fano效应,进一步增强了粒子在光场中出现时的光耦合场变化.当纳米粒子穿过两个微环间的通孔时,其耦合系数和输出端的光强均发生变化,提出了一种基于双环谐振器结构的高精度耦合系数传感方法,通过检测双环谐振器耦合系数和输出端光强的变化对单体纳米粒子进行精确检测和计数.理论计算结果表明,在损耗为1dB/cm的情况下,与单环结构相比,双环结构的灵敏度提升了两个数量级.该双环结构在减小波导损耗的同时有效提升了检测灵敏度.     

冠醚对废旧锂离子电池浸出液中Li~+选择性密度泛函理论研究（英文）

本文基于密度泛函理论研究了在水溶液中不同结构冠醚对Li~+的选择性.通过对几何结构、结合能和热力学的计算,发现15-冠-5(15C5)对Li~+的选择性强于12-冠-4(12C4)和18-冠-6(18C6).苯并15-冠-5(B15C5)与Li~+的结合能小于15C5,但在溶液巾结合Li~+时具有更低的自山能.研究了B15C5和Li、Co、Ni水合离子之间的交换反应,表明B15C5与水合锂离子之间的反应占据优势.上述结果表明采用B15C5从废旧钾离子电池浸出液中回收锂具有一定的可行性.     

吸附分子间通过底物的作用能的密度泛函理论计算

尝试用密度泛函理论B3LYP方法,计算研究了Ag(111)面上烷烃硫醇自组织单分子层中分子间通过底物的作用能(间接作用能)的大小,揭示了它与单体吸附能绝对值的正比关系,阐明了其物理本质．DFT的计算结果与以前提出的间接作用能的半经验表达式定性一致．     

LiFe_xMn_(1-x)PO_4固溶体的密度泛函理论与电化学研究（英文）

本文用DFT计算方法研究了LiFe_xMn_(1-x)PO_4的热力学稳定性和嵌/脱锂电位.结果表明,LiFe_xMn_(1-x)PO_4固溶体的自由能比相分离的LiFePO_4/LiMnPO_4混合物略高,这两种形式可能在实际LiFe_xMn_(1-x)PO_4材料中共存.计算表明,LiFe_xMn_(1-x)PO_4固溶体的嵌/脱锂电位随锰/铁比以及过渡金属离子的空间排列而变化,并用计算结果解释了放电曲线的形状.采用固相反应法合成了LiFe_xMn_(1-x)PO_4材料并研究了其电化学性质,实验中观察到附加的放电平台,其出现可能与LiFe_xMn_(1-x)PO_4固溶体的存在有关.     

新型含能富勒烯衍生物的合成研究

 利用N-甲基甘氨酸、2,4-二硝基苯甲醛和C₆₀反应,合成分离出了含有两个硝基的新型富勒烯吡咯烷衍生物1,并对其工艺条件进行了研究,探讨了反应物剂量比、温度和时间对产物1产率的影响,得到了合成产物1的最佳工艺条件：反应物剂量比为1∶2∶6、温度为95 ℃、反应时间为40 h,此时产物1产率可达到65.8%（以消耗的C₆₀计）。同时用¹H NMR、FT-IR、MS、UV-Vis等光谱手段确定了产物1的分子结构。     

基于深度张量神经网络预测有机分子的相互作用能（英文）

分子的相互作用在分子动力学模拟过程中起着关键的作用.受限于计算资源,大分子的长时间尺度的相互作用能无法通过量化计算实现.本文采用一种深度学习框架-深度张量神经网络来预测三个有机分子相关体系中量化精度的相互作用能.其中,分子的几何结构和原子类型作为网络的输入用于预测相互作用能.通过分层生成的数据集合实现了网络中隐层参数的优化和训练.相互作用能的预测结果显示,深度张量神经网络可以在较短的时间内,在1 kcal/mol的平均绝对误差的范围内准确预测分子间的相互作用能.这一过程提高了计算效率,并为计算相互作用能提供了可靠的计算框架.