凝聚相體系微觀動(dòng)力學(xué)的理論研究.pdf

1、凝聚相體系結(jié)構(gòu)及其微觀動(dòng)力學(xué)研究涵蓋生命、能源、環(huán)境和材料等當(dāng)下重點(diǎn)研究領(lǐng)域。人們期望從不同時(shí)空尺度上探究微觀物理機(jī)制的成因及其演化，進(jìn)而構(gòu)筑完善的物理圖像，促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。然而，受限于實(shí)驗(yàn)探測(cè)手段自身的探測(cè)表征能力，往往無(wú)法對(duì)研究體系的微觀結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行準(zhǔn)確描繪，不同探測(cè)手段甚至?xí)o出截然相反的結(jié)論。為了彌合不同實(shí)驗(yàn)手段在微觀動(dòng)力學(xué)過程描述的局限性和差異性，同時(shí)為凝聚相動(dòng)力學(xué)研究提供可靠的微觀物理圖像，人們通常會(huì)尋求結(jié)合理

2、論模擬和實(shí)驗(yàn)探測(cè)的方式開展研究。通過與實(shí)驗(yàn)探測(cè)信號(hào)定量比照，理論不僅可以指導(dǎo)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)潛藏的物理圖像進(jìn)行剖析，還可以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同樣的，在二者的對(duì)比中，實(shí)驗(yàn)也有助于提升和完善理論模型，從而對(duì)微觀動(dòng)力學(xué)過程提供更為準(zhǔn)確的物理圖像。理論和實(shí)驗(yàn)二者緊密結(jié)合、螺旋式發(fā)展，有力推進(jìn)人們對(duì)于凝聚相體系微觀動(dòng)力學(xué)過程的理解，促進(jìn)相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展。
　　絕大多數(shù)的化學(xué)和生物過程都發(fā)生在溶液環(huán)境中，因而對(duì)于溶液結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)研究重要性

3、顯得尤為突出。然而，常用的溶液結(jié)構(gòu)觀測(cè)手段在處理離子結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面困擾重重，因?yàn)殡x子相互關(guān)聯(lián)信號(hào)相較于整體散射信號(hào)過于微弱。在本文中，我們結(jié)合fs IR實(shí)驗(yàn)手段，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬從原子層面進(jìn)行溶液體系中離子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究。而同處溶液環(huán)境，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究也是備受關(guān)注的生物物理學(xué)問題。作為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究的重要工具，紅外振動(dòng)光譜手段所觀測(cè)到光譜信號(hào)是所有振動(dòng)模信號(hào)集合，為此需要借助理論辨別剖析。結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬和二維振動(dòng)

4、光譜手段，我們提出了一種高效并且經(jīng)濟(jì)的蛋白質(zhì)熱致去折疊相關(guān)光譜模擬方法。該方法不僅可以較好復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)光譜探測(cè)結(jié)果，并且可以為理解蛋白質(zhì)在熱致去折疊過程中結(jié)構(gòu)變化及其相關(guān)光譜變化提供幫助。同時(shí)該方法被證明有能力運(yùn)用于蛋白質(zhì)不同折疊機(jī)理研究。面對(duì)能源短缺，熱電材料、光伏材料等清潔可再生能源再過去幾十年愈發(fā)受到關(guān)注。理解材料內(nèi)部載流子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)機(jī)理有助于新型材料的研發(fā)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，我們通過運(yùn)用玻爾茲曼輸運(yùn)理論和簡(jiǎn)化載流子散射模型對(duì)重?fù)诫s和多相

5、體系內(nèi)部的載流子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行定性分析，對(duì)材料內(nèi)部所發(fā)生的微觀動(dòng)力學(xué)過程提供合理的理論解釋。同時(shí)，簡(jiǎn)要介紹了二維新型光電材料內(nèi)部光致電子-空穴形成、分離，層間電子輸運(yùn)及其層間激子動(dòng)力學(xué)研究。
　　本論文共分為六章:
　　第一章著重介紹了本論文的選題背景和介紹。從鹽溶液結(jié)構(gòu)出發(fā)，介紹離子對(duì)水分子微觀動(dòng)力學(xué)過程的影響，以及鹽溶液中離子微觀動(dòng)力學(xué)研究。爾后，簡(jiǎn)要介紹溶液體系中蛋白質(zhì)折疊機(jī)理研究，著重介紹酰胺-Ⅰ振動(dòng)動(dòng)力學(xué)研究和

6、紅外光譜理論背景知識(shí)和非線性激子演化方法。在本章結(jié)尾，則介紹了熱電材料的發(fā)展歷程、熱電材料最新進(jìn)展以及簡(jiǎn)要介紹玻爾茲曼輸運(yùn)理論。
　　第二章則是簡(jiǎn)要闡述了本論文中所使用的分子動(dòng)力學(xué)模擬和第一性原理計(jì)算所用的理論背景知識(shí)。
　　第三章中，結(jié)合fs IR實(shí)驗(yàn)觀測(cè)手段與分子動(dòng)力學(xué)模擬開展離子溶液內(nèi)部動(dòng)力學(xué)行為研究。運(yùn)用不同力場(chǎng)所開展不同濃度復(fù)雜陰陽(yáng)離子GdmSCN鹽溶液分子動(dòng)力學(xué)模擬的分析結(jié)果表明，不同力場(chǎng)所得到的徑向分布函數(shù)權(quán)重

7、疊加都可以與中子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。但是與中子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)論不同的是，振動(dòng)能量轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)和理論模擬結(jié)果都明確給出了溶液內(nèi)離子團(tuán)簇存在的直觀證據(jù)，從而厘清中子散射實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)論誤區(qū)。
　　第四章中，運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬和理論光譜模擬方法，我們提出了一種高效的多肽熱致去折疊紅外光譜理論模擬方法。該方法所模擬得到的振動(dòng)光譜信號(hào)特征可以很好匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且加深了對(duì)于該多肽結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)過程的認(rèn)識(shí)。另外，通過研究發(fā)現(xiàn)，該理論光譜模擬方法對(duì)折疊機(jī)理差異具

8、有良好的分辨能力。由此，我們搜尋到了誘導(dǎo)光譜信號(hào)特征變化的分子層面物理起源，并且促進(jìn)了人們對(duì)于蛋白質(zhì)在折疊過程中結(jié)構(gòu)變化的理解。
　　第五章中，通過實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合，運(yùn)用第一性原理計(jì)算和半經(jīng)典玻爾茲曼輸運(yùn)理論以及簡(jiǎn)化載流子散射模型對(duì)不同摻雜體系內(nèi)部的載流子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)過程開展研究，并且分析導(dǎo)致熱電性能提高的內(nèi)在原因。載流子散射模型理論研究揭示Ti金屬摻雜體相WS2中Seebeck各向異性所暗含的不同散射機(jī)制。而對(duì)氧摻雜體相MoS2所