离子水溶液低频振动光谱研究

发布时间：2018-04-10 20:07

本文选题：离子水溶液 + 介电弛豫光谱　；参考：《中国科学技术大学》2017年博士论文

【摘要】：本论文总共由七章组成,前四章为多方面的基础知识和计算技巧来为理论模拟光谱做铺垫。第一章简要的介绍了离子水溶液的理论发展及其重要的研究前景,低频振动光谱的特殊性和其应用于离子水溶液的意义。第二章里介绍了分子动力学及其统计力学的基础;第三章浅涉量子动力学而其一个应用领域即为第四章的非线性光谱学。第二章的分子动力学模拟基于经典力学运动方程和分子力学模型,结合平衡态统计力学原理,适用于大分子及相对长时间尺度的绝热过程。本章对分子动力学的基本要素如经验力场、动力学方程和模拟技巧进行概述。分子动力学精确度虽然不及量子化学重头算法,但其统计力学的意义是明确的。分子动力学模拟在目前计算机性能不断提升的背景下,不仅能解释实验现象,而且将发挥指导实验研究的关键作用。由于量子动力学涉猎的范围广,从量子光学、固体物理到数学物理学等众多科学研究,第三章仅仅介绍了有关刘维尔空间的动力学基础以及相关函数的概念。然后,列举了一维红外光谱作为量子动力学应用例子来说明量子动力学与相关函数。第四章简要的介绍了非线性光谱学的现象和原理。结合量子动力学计算,能得到强激光场下物质的极化强度尸具有非线性的特征分量P(n),其系数定义为非线性极化率。当假设作用的光束为脉冲时,非线性极化率与对应的高阶的光谱响应函数成正比。而响应函数的项目众多,所以可以画出费曼图或刘维尔空间路径来区分它们。另外,作为非微扰方法的相位匹配运动方程能大大简化光谱计算。后三章为一系列离子水溶液的低频一维、二维振动光谱的理论模拟和分析。第五章结合不同的低频光谱通常能更明确地揭示溶液动力学机制.由于OKE与DRS分别测量平动和转动,这种现象认为反映平动与转动耦合分离的玻璃态特性.我们的理论模拟很好地复现实验的浓度依赖性.进一步的分析表明,弛豫时间的浓度依赖差异性反映了阳离子水合壳层内外的水动力学差异,而非平动转动分离.本文模拟硫酸镁的GHz介电弛豫光谱,其拟合的峰与实验大致吻合。下一步就是如何分析这大量的轨迹群来挖掘低频的肩膀峰(大约0.5GHz)处的微观起源。第六章接着采用稳定性矩阵方法模拟了不同离子水溶液的二维拉曼-太赫兹光谱。稳定性矩阵方法基于平衡态统计力学原理,包含了相空间的许多信息。由于分子力场为非极化模型,为了考虑离子的极化效应,我们引入了偶极诱导偶极机制来计算分子动力学所得轨迹的总偶极和总极化率。低频光谱需要的时域信息跨度比较长,使得信号收敛所需的采样点远远地超过普通的光谱。低频的水溶液光谱反映离域的分子间自由度运动模式,而且常温的热扰动就能激发到振动态。所以离子水溶液的低频光谱非常容易受到环境涨落耗散的影响。第七章以布朗振子(BO)模型,使用耗散子运动方程(DEOM)能够定性地模拟出纯水的二维拉曼-太赫兹光谱的各个不同时间序列(RTT,TRT,TTR)。我们把水的氢键弯曲60 cm-1,氢键伸缩200 cm-1,分子摆动600 cm-1模式综合起来作为体系,而将其他快速的局域振动分离出来,当作环境的热库涨落。我们把水的三个低频的集体运动划分为两种,一种具有很强的偶极矩和环境扰动,相对的频率较高;另一种具有一定的中心对称性,不容易受到扰动而破坏掉。前者主要为水分子的摆动,而后者归属为氢键网络的集体运动。结论和展望:分子动力学模拟光谱目前使用离子非极化模型是为了能够与现有的非极化水模型匹配。随着最近新的极化力场水模型(如POLIR,POLI2VS, TTM3-F)被广泛采用,必将出现与之配套离子非极化模型,把极化效应实时引入到分子动力学模拟。对于极低频率的GHz光谱,发展大规模轨迹的构象分析技术来归属低频率峰所对应的动力学。二维拉曼-太赫兹光谱的理论模拟和实验结果目前未达到吻合的程度。而且时域绝对收敛目前仍然困难,这些问题可以参考Wolfgang Domcke提出的非微扰光谱模拟方法来克服。最后,发展针对多模式BO模型高效率运算方法提高DEOM模拟二维拉曼-太赫兹光谱的精准度。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O645.1

【参考文献】