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        分子激發(fā)態(tài)非絕熱動(dòng)力學(xué)的理論模擬

        2019-12-26 05:30:23楊金龍
        物理化學(xué)學(xué)報(bào) 2019年1期
        關(guān)鍵詞:激發(fā)態(tài)勢(shì)能動(dòng)力學(xué)

        楊金龍

        中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,合肥 230026

        光誘導(dǎo)反應(yīng)過(guò)程是今天物理化學(xué)研究的中心問(wèn)題之一。光吸收導(dǎo)致分子躍遷到電子激發(fā)態(tài),發(fā)生一系列復(fù)雜的光誘導(dǎo)反應(yīng),如熒光、磷光、電子和能量轉(zhuǎn)移、光化學(xué)反應(yīng)等。當(dāng)分子體系處于激發(fā)態(tài)上時(shí),伴隨著原子核的運(yùn)動(dòng),不同電子態(tài)之間可能會(huì)出現(xiàn)勢(shì)能面交叉。在交叉區(qū)域體系會(huì)從一個(gè)電子態(tài)“跳躍”到另外一個(gè)電子態(tài),發(fā)生非絕熱躍遷1,2。該過(guò)程廣泛的存在于自然界中。從簡(jiǎn)單的有機(jī)小分子,到復(fù)雜的生物和材料體系,其光誘導(dǎo)反應(yīng)都存在非絕熱過(guò)程3–5。生物體系(DNA和蛋白質(zhì))的光穩(wěn)定性、一些功能蛋白體系(視覺(jué)神經(jīng)蛋白、生物鐘功能蛋白)的光反應(yīng)、有機(jī)鏈狀共軛分子的光異構(gòu)化、螢火蟲(chóng)的發(fā)光機(jī)制、過(guò)渡金屬絡(luò)合物的光反應(yīng)、催化過(guò)程中氧氣在過(guò)渡金屬表面的活化、光合作用中激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移、光伏材料和光催化中的激子動(dòng)力學(xué)等,都與非絕熱動(dòng)力學(xué)有關(guān)。因此,非絕熱動(dòng)力學(xué)是激發(fā)態(tài)研究的重點(diǎn),也是整個(gè)光化學(xué)和光物理研究的重點(diǎn)。

        非絕熱過(guò)程涉及電子-原子核之間的耦合運(yùn)動(dòng),意味著量子化學(xué)基本假設(shè)之一玻恩-奧本海默近似(BO近似)被打破,需要發(fā)展適當(dāng)?shù)睦碚摶瘜W(xué)方法來(lái)處理這類問(wèn)題。近年來(lái),Tully發(fā)展的最少面跳躍方法獲得了廣泛關(guān)注6。該方法本質(zhì)是一種混合量子-經(jīng)典動(dòng)力學(xué)方法。其中,核的運(yùn)動(dòng)用經(jīng)典軌線在當(dāng)前所處的勢(shì)能面上的演化進(jìn)行描述,電子運(yùn)動(dòng)用含時(shí)的薛定諤方程描述,非絕熱躍遷由軌線在不同勢(shì)能面間的跳躍描述,其跳躍幾率和電子演化有關(guān)。該方法不僅在數(shù)學(xué)處理上相對(duì)簡(jiǎn)單,還可以給出激發(fā)態(tài)壽命、反應(yīng)通道等重要信息。特別通過(guò)將其與電子結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)合,建立面跳躍直接動(dòng)力學(xué)模擬方法,可以在全原子水平上,處理實(shí)際分子體系的非絕熱動(dòng)力學(xué)7。鑒于此研究領(lǐng)域的重要性,中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所蘭崢崗等人對(duì)于基于直接動(dòng)力學(xué)的最少面跳躍理論方法和其在實(shí)際分子體系的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

        該工作已在物理化學(xué)學(xué)報(bào)上在線發(fā)表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201801042)8。該綜述主要討論了利用最少面跳躍直接動(dòng)力學(xué)方法研究非絕熱動(dòng)力學(xué)的進(jìn)展。文章首先梳理了動(dòng)力學(xué)的基本理論,特別關(guān)注將最少面跳躍方法和直接動(dòng)力學(xué)結(jié)合的數(shù)值實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),然后討論將該方法用于研究實(shí)際分子體系的一些例子,并對(duì)其發(fā)展進(jìn)行展望。該工作對(duì)于梳理該研究領(lǐng)域近年的發(fā)展歷程和理解今后可能的研究方向具有重要的啟發(fā)意義。

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