精确计算TATB分子间相互作用能并重新认识其作用本质

TATB炸药的钝感性质与其分子间强烈的相互作用密切相关,目前尚难以用实验方法直接准确地测定其分子间相互作用能。已发表的理论研究工作受当时计算方法和条件限制,计算结果误差较大、充满矛盾。本文用B3PW91-D3BJ/def2-TZVPP方法优化了TATB二聚体可能存在的六种构型的几何结构并作振动频率分析,发现仅有三种稳定构型,即氢键构型A,堆叠构型B和C,用MP2/def2-TZVPP方法重新优化了这三种构型的几何结构参数,并用于CCSD(T)/CBS方法计算,得到分子间相互作用能分别为A: -6.20,B: -15.45,C: -15.65 kcal/mol,CCSD(T)/CBS计算中发现构型B和C的高级校正项大约是分子间相互作用能的50%,是MP2方法不可能准确预测TATB二聚体堆叠构型分子间相互作用能的原因;本文还用新一代能量分解方法ALMO-EDA分析了TATB分子间相互作用本质,发现对于堆叠构型B和C,除了色散作用之外,静电吸引对决定TATB二聚体中的几何结构十分重要,TATB高能炸药良好的钝感性质起源于其分子间较强静电吸引的驱动和定向,使之形成稳定的堆叠结构,其稳定性来源于色散和静电的协同作用。     

LiBr分子基态光谱常数和分子常数研究

采用高精度的量子化学从头计算多参考组态相互作用方法和相关一致基, 计算了LiBr分子基态的光谱常数和势能曲线. 为获得更准确的结果, 计算中还考虑了二阶Douglas-Kroll-Hess相对论修正对LiBr分子基态的平衡键长、谐振频率和离解能影响. 将计算得到的势能曲线拟合为Murrell-Sorbie解析势能函数形式, 并进一步计算得到LiBr分子基态的其它光谱常数,ωeχe, αe, Be, D0. 比较发现它们与实验值符合的非常好. 通过求解核运动径向Schrodinger方程, 找到了LiBr分子基态的全部振动态. 还计算了每一个振动态的振动能级、经典转折点和惯性转动常数, 这些结果与已有的实验值一致.     

LiBr分子基态光谱常数和分子常数研究

采用高精度的量子化学从头计算多参考组态相互作用方法和相关一致基, 计算了LiBr分子基态的光谱常数和势能曲线. 为获得更准确的结果, 计算中还考虑了二阶Douglas-Kroll-Hess相对论修正对LiBr分子基态的平衡键长、谐振频率和离解能影响. 将计算得到的势能曲线拟合为Murrell-Sorbie解析势能函数形式, 并进一步计算得到LiBr分子基态的其它光谱常数,ωeχe, αe, Be, D0. 比较发现它们与实验值符合的非常好. 通过求解核运动径向Schrodinger方程, 找到了LiBr分子基态的全部振动态. 还计算了每一个振动态的振动能级、经典转折点和惯性转动常数, 这些结果与已有的实验值一致.     

TATB生成焓的量子力学计算

采用Hartree-Fock方法和密度泛函 BPW91方法,对TATB分子的几何结构进行了优化,计算了其电子能量和热运动的能量.计算并讨论了TATB的生成焓.结果表明,TATB分子中的苯环离域电子结构引起TATB生成焓计算的较大的系统偏差;利用具有相似离域电子结构的苯和NO的生成焓进行修正,计算得到的TATB生成热与实验结果符合较好.?     

LiBr分子基态光谱常数和分子常数研究（英文）

采用高精度的量子化学从头计算多参考组态相互作用方法(MRCI)和相关一致基,计算了Li Br分子基态的光谱常数(Re,ωeand De)和势能曲线.为获得更准确的结果,计算中还考虑了二阶Douglas-KrollHess相对论修正对Li Br分子基态的平衡键长、谐振频率和离解能影响.将计算得到的势能曲线拟合为Murrell-Sorbie解析势能函数形式,并进一步计算得到Li Br分子基态的其它光谱常数(ωeχe,αe,Beand D0).比较发现它们与实验值符合的非常好.通过求解核运动径向Schrdinger方程,找到了Li Br分子基态的全部振动态.还计算了每一个振动态的振动能级、经典转折点和惯性转动常数,这些结果与已有的实验值一致.     

水二聚体分子间相互作用势

利用超分子二阶到四阶多体微扰理论和扩展的相关一致基组(aug-cc-pVTZ)结合有效的中点键函数(3s3p2d1f1g)计算水二聚物的平衡结构和分子间相互作用势,并用平衡方法修正基组重叠误差.在MP2/aug-cc-pVTZ理论级别优化水二聚物几何构型.与正常优化的结果相比,平衡修正优化得到的RO-O和α值分别轻微的增加0.002 nm和0.19°,同时,θ值减小0.013°.在MP2水平利用扩展的相关一致基组结合有效键函数,预言了RO-O和ΔECP值分别为0.0923 nm和-4.86 kcal/mol,计算结果与实验值符合得很好.用exp-4.2势函数拟合分子间相互作用能的离散点,拟合结果与从头算计算的结果一致.     

NO分子γ系(A~2∑~ X~2∏_r振子强度的理论计算

选用STO-4G双ξ加键函数的扩展基组,先取一部分组态用MCSCF方法计算分子轨道,然后再作较大规模的CI计算,得到HO分子基电子态和第一激发电子态的波函数。在偶极近似下,计算了NO分子r系的振子强度,其值为0.00214,与实验值相符甚好。本文的计算方法原则上可用于所有开壳层或闭壳层结构的双原子分子或电离的双原子分子的理论计算。     

碱金属Li原子与CO分子体系相互作用势从头计算研究

采用三重激发项校正CCSD的CCSD(T)方法和AUG-CC-PVnZ(n=2,3,4)基组,优化了CO基态分子结构,并计算了碱金属Li原子与CO分子的相互作用势,共1010个构型势能点得到体系的势能面.结果表明:同一方法下,不同基组得到的CO基态分子的键长、能量等均与实验符合很好.Li-CO势能面体现较小的各向异性势,存在两个势阱,且都为非严格T型结构;基组重叠误差(BSSE)对相互作用势的影响比较明显,采用CP方法(Counterposie method)消除基组重叠误差,不同基组计算的相互作用势显示较好一致.体系各项异性势势阱值远高于CO基态分子转动常数,使得碰撞产生强烈的非弹性碰撞,这将阻止协同冷却制备超冷分子.     

苯与PtH分子间电子相互作用的理论研究

采用从头算法在B3LYP水平分别对苯和PtH分子单体及其分子复合物体系(苯-PtH)进行了几何结构优化和振动频率计算,得到了3种苯-PtH分子复合物构型,研究了苯与PtH分子间相互作用对Pt-H键振动频率的影响,并得出了苯与PtH分子之间的相互作用能.     

原子与双原子分子的碰撞反应

一个原子与宁一个同核双原子分子反应碰撞的过渡态构型是线型的, 计算了平衡临界键长的统计分布函数及其平均值、反应活化能和反应速率常数, 理论结果与实验值相符.     

Topological analysis of charge density in heptasulfur imide (S7NH) from isolated molecule to solid

Intra and intermolecular interactions of heptasulfur imide (S₇NH) are investigated in terms of topological properties analyses, such analyses are applied to both experimental (multipole model) and theoretically calculated (DFT and PDFT calculations) charge densities of the isolated molecule and of the crystal. The same analyses are also applied to a multipole model density obtained from theoretically (PDFT) derived structural amplitudes. The covalent bond character of S-N, N-H and S-S bonds are well described in terms of density, ρ_b, and total energy density, H_b, at the bond critical point r_c, though it is clear that the S-S bonds are weaker shared interactions than those of N-H and S-N bonds. Lone pair electron regions of sulfur and nitrogen atoms are revealed as the local charge concentration site from the Laplacian of charge density. The even weaker intermolecular interactions are well characterized; these include the N-H?S hydrogen bonding, N?S binding interactions and S?S binding interactions. All these intermolecular binding interactions are closed-shell interactions. The Laplacian of charge density demonstrates a directional intermolecular binding interaction. The corresponding intermolecular binding energies are derived by MP2/6-311+G(d,p) calculations. Atomic graph of each atom of the molecule is described in detail by the vertices, edges and faces of the polyhedron around the nucleus to illustrate such directional interactions.     

三氨基三硝基苯基高聚物粘结炸药热力学性质的理论计算研究

高聚物粘结炸药(PBX)的热力学性质是用于炸药结构响应、安全性评估、数值模拟分析等的重要参数.由于PBX结构的多尺度特性,完全采取实验方法精细表征这些参数存在巨大的挑战.本文运用第一性原理和分子动力学计算的方法,系统研究了三氨基三硝基苯(TATB)基高聚物粘结炸药的热力学参数和界面热传导性质.利用散射失配模型研究了TATB与聚偏二氟乙烯(PVDF)界面的热传导过程,发现热导率随温度升高而上升,并且在高温情况下接近于定值.基于分子动力学获得的TATB热导率并结合界面热导率,分析了PBX炸药的热导与颗粒尺寸的关系,当颗粒尺寸大于100 nm时,界面热阻对于PBX热导率的影响有限.     

TATB晶体声子谱及比热容的第一性原理研究

利用第一性原理并结合vd W-DF2范德瓦耳斯力校正研究了TATB(C6H6O6N6)晶体声子谱及比热容.采用冷冻声子法计算了TATB晶体声子谱和声子态密度,发现在2.3 THz附近TATB声子态密度最大,证实了太赫兹光谱实验观察到的2.22 THz附近的强吸收峰.基于声子态密度研究了振动模式对比热容的贡献,分析结果表明,常温下0—27.5 THz频段振动模式贡献了比热容的93.7%.同时比较了升温过程中振动模式对比热容的贡献,指出TATB热分解的引发键是C—NO_2键断裂的可能性更大.     

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.     

The SURF model and the curvature effect for PBX 9502

SURF is a high explosive burn model based on the ignition & growth concept of hot-spot reaction. For the TATB based explosive PBX 9502, the model has been calibrated to shock-to-detonation transition experiments. To apply the SURF model for propagating detonation waves, the rate has to be extended to a higher pressure regime than is sampled by shock initiation experiments. The experimentally measured curvature effect – detonation speed as a function of front curvature or D _n(κ) – provides the appropriate data for calibrating the propagation regime. The calibration to the curvature effect is based on the ODEs for the reaction zone profile of a detonation wave in conjunction with a shooting algorithm to determine the rate model parameters, for a given κ, needed to obtain a specified detonation speed. A complication for calibrating PBX 9502 rate models arises from the kink in the experimentally measured D _n(κ) curve. This results from the fast and slow reactions that TATB exhibits. To account for this, we use an extension of the SURF model that utilises a sequence of two reactions. The first, with a fast rate, is due to molecular decomposition and is described by the original SURF formulation. The second, with a slow rate, is due to carbon clustering and is used to contribute additional energy from the formation of carbon bonds. The wave profile equations are generalised to the SURF-plus model. Model parameters are then determined for the propagation regime to fit the curvature effect data. The extended model is applicable to both the shock initiation regime and the propagating detonation wave regime.     

DATB和TATB的特殊稳定性分析

利用HONDO程序包,采用从头算法,计算了TNA、DATB和TATB的分子结构和分子内各原子上的净电荷.根据分子结构和各原子上的净电荷,深入分析了DATB和TATB的特殊稳定性.     

低温相H_2S晶体振动光谱计算

本文介绍了计算分子晶体基频振动的力常数模型并应用于Ｈ２Ｓ晶体低温相的拉曼，红外光谱分析。使用１１个可调参数（包括３个分子内部力常数和８个分子间作用力参数）计算得到６９个光学模式的振动频率及其对应的本征矢量。计算结果与实验值相符甚好。对已观测到的谱线作了全面指认。并给出了未观测到谱线的位置。计算表明，晶体中氢键为最重要的分子间相互作用。它使Ｈ２Ｓ分子Ｓ—Ｈ键力在晶体中减弱７％。     

Theoretical analysis of fluorine-passivated germanium surface for high-k/Ge gate stack by molecular orbital method

Energy state and coordination of fluorine (F)-passivated Ge surface have been theoretically analyzed by semi-empirical molecular orbital method in comparison with hydrogen-passivated Ge surface to predict usefulness of F for passivation element and surface stabilization. Heat of formation for the reaction of F atoms and Ge layer system decreased simultaneously without energy barrier. Resultantly, F-Ge bonds were formed on Ge layer system and Ge surface dangling bonds were passivated by F dissimilar to the reaction of H atoms and Ge layer system. Furthermore, it was confirmed experimentally that the electrical properties of HfO₂/Ge gate stack were improved by F₂-ambient treatment of Ge substrate prior to HfO₂ deposition. It is concluded that F-passivation of Ge surface is useful in making stable and low-defective Ge substrate for high-k dielectric layer deposition.