凝聚相體系微觀動力學的理論研究.pdf

1、凝聚相體系結構及其微觀動力學研究涵蓋生命、能源、環(huán)境和材料等當下重點研究領域。人們期望從不同時空尺度上探究微觀物理機制的成因及其演化，進而構筑完善的物理圖像，促進相關領域的發(fā)展。然而，受限于實驗探測手段自身的探測表征能力，往往無法對研究體系的微觀結構及其動力學過程進行準確描繪，不同探測手段甚至會給出截然相反的結論。為了彌合不同實驗手段在微觀動力學過程描述的局限性和差異性，同時為凝聚相動力學研究提供可靠的微觀物理圖像，人們通常會尋求結合理

2、論模擬和實驗探測的方式開展研究。通過與實驗探測信號定量比照，理論不僅可以指導對實驗數據潛藏的物理圖像進行剖析，還可以指導實驗和預測實驗結果。同樣的，在二者的對比中，實驗也有助于提升和完善理論模型，從而對微觀動力學過程提供更為準確的物理圖像。理論和實驗二者緊密結合、螺旋式發(fā)展，有力推進人們對于凝聚相體系微觀動力學過程的理解，促進相關研究領域的發(fā)展。
　　絕大多數的化學和生物過程都發(fā)生在溶液環(huán)境中，因而對于溶液結構及其動力學研究重要性

3、顯得尤為突出。然而，常用的溶液結構觀測手段在處理離子結構動力學方面困擾重重，因為離子相互關聯信號相較于整體散射信號過于微弱。在本文中，我們結合fs IR實驗手段，通過分子動力學模擬從原子層面進行溶液體系中離子團簇結構和動力學研究。而同處溶液環(huán)境，蛋白質結構動力學研究也是備受關注的生物物理學問題。作為蛋白質結構動力學研究的重要工具，紅外振動光譜手段所觀測到光譜信號是所有振動模信號集合，為此需要借助理論辨別剖析。結合分子動力學模擬和二維振動

4、光譜手段，我們提出了一種高效并且經濟的蛋白質熱致去折疊相關光譜模擬方法。該方法不僅可以較好復現實驗光譜探測結果，并且可以為理解蛋白質在熱致去折疊過程中結構變化及其相關光譜變化提供幫助。同時該方法被證明有能力運用于蛋白質不同折疊機理研究。面對能源短缺，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)受到關注。理解材料內部載流子輸運動力學機理有助于新型材料的研發(fā)。結合實驗研究，我們通過運用玻爾茲曼輸運理論和簡化載流子散射模型對重摻雜和多相

5、體系內部的載流子輸運動力學過程進行定性分析，對材料內部所發(fā)生的微觀動力學過程提供合理的理論解釋。同時，簡要介紹了二維新型光電材料內部光致電子-空穴形成、分離，層間電子輸運及其層間激子動力學研究。
　　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。從鹽溶液結構出發(fā)，介紹離子對水分子微觀動力學過程的影響，以及鹽溶液中離子微觀動力學研究。爾后，簡要介紹溶液體系中蛋白質折疊機理研究，著重介紹酰胺-Ⅰ振動動力學研究和

6、紅外光譜理論背景知識和非線性激子演化方法。在本章結尾，則介紹了熱電材料的發(fā)展歷程、熱電材料最新進展以及簡要介紹玻爾茲曼輸運理論。
　　第二章則是簡要闡述了本論文中所使用的分子動力學模擬和第一性原理計算所用的理論背景知識。
　　第三章中，結合fs IR實驗觀測手段與分子動力學模擬開展離子溶液內部動力學行為研究。運用不同力場所開展不同濃度復雜陰陽離子GdmSCN鹽溶液分子動力學模擬的分析結果表明，不同力場所得到的徑向分布函數權重

7、疊加都可以與中子散射實驗結果吻合。但是與中子散射實驗結論不同的是，振動能量轉移實驗和理論模擬結果都明確給出了溶液內離子團簇存在的直觀證據，從而厘清中子散射實驗觀測結論誤區(qū)。
　　第四章中，運用分子動力學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光譜信號特征可以很好匹配實驗結果，并且加深了對于該多肽結構動力學過程的認識。另外，通過研究發(fā)現，該理論光譜模擬方法對折疊機理差異具

8、有良好的分辨能力。由此，我們搜尋到了誘導光譜信號特征變化的分子層面物理起源，并且促進了人們對于蛋白質在折疊過程中結構變化的理解。
　　第五章中，通過實驗與理論相結合，運用第一性原理計算和半經典玻爾茲曼輸運理論以及簡化載流子散射模型對不同摻雜體系內部的載流子輸運動力學過程開展研究，并且分析導致熱電性能提高的內在原因。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制。而對氧摻雜體相MoS2所