《光系統I穩態光譜和激子動力學過程的理論模擬》是依託陝西師範大學，由尹世偉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：光系統I穩態光譜和激子動力學過程的理論模擬
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：尹世偉
- 依託單位：陝西師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
光系統I（PSI）是光合作用中發生光反應的兩個重要組織單元之一。PSI反應中心外圍的色素分子吸收光能形成激子態，激子能量通過三維的網路結構轉移到反應中心P700完成光電分離，後完成跨膜的電子遷移，該過程的內量子效率幾乎接近1。PSI葉綠素Qy band激子有效激子哈密頓量通常採用擬合PSI穩態吸收光譜的實驗數據來確定。本項目不依賴於PSI的光譜實驗數據，僅從PSI的晶體結構出發，尋找和發展一套恰當的且大小一致的量子化學計算方法求解PSI這樣的複雜體系的激子有效激子哈密頓量，考察PSI中色素分子周圍蛋白質殘基對激子位點能的影響。還擬發展現實可行的Feynman路徑的手段來計算PSI中激子能量轉移速率，進而使用主方程的方法來模擬PSI激子動力學過程，考察PSI中的激子平均壽命、內量子效率和時間分辨光譜。最終，從結構出發運用第一性的方法和手段來理解PSI高效光電轉換內量子效率的微觀本質。
結題摘要
項目開題以來取得了階段性地進展並基本實現了預期的研究目標。 依據藻青菌光系統PSI晶體結構和 QM/MM最佳化的晶體結構，完成了在不同近似水平下構建PSI三維結構的有效激子Hamiltonian（包含電子部分的激子的耦合與位點能）；對PSI反應中心激子耦合的不同水平上計算表明反應中心最強的激子耦合不是發生在P700（echA1 and ecB1）二聚體，最強耦合而是以二聚體對（echA1-ecB2 and ecB1-ecA2）結合的形式來表現出來； 成功完成了包含有7個色素單元FMO體系，每個色素分子包含60個“經驗性”電-聲子作用半經驗路徑積分方法模擬7個激子量子態的動力學演變過程。原則上如果知道結構和溫度相關的電-聲子耦合強度，該方法真正撲捉到短時激子動力學的量子相關性同時又滿足長時間範圍的精細平衡。當使用路徑積分方法模擬PSI系統激子動力學過程時現階段還存在如下的不足：在探索色素分子激發態與環境之間的電-聲子耦合部分需要分子動力學模擬，該PSI系統動力學模擬過程遇到了一些現有標準程式不能解決的困難，比如：（1）具有平面共軛結構的葉綠素分子內和分子間標準力場（Amber、Charmm）參數，（2）色素基態/激發態電子結構與環境之間靜電庫倫相互作用的計算尤其是考察電子極化過程包含多體效應和長程庫倫作用問題仍是具有挑戰性的問題，（3）路徑積分方法數值模擬具有96個量子態PSI光系統激子動力學過程，現有的計算能力還有一定困難，無論是記憶體還是多核並行化都存在現實瓶頸。繞這樣的現實困難不足，本課題組開展了以小分子四面體N4分子為例，基於量子力學方法探索性參數化分子內和分子間的力場常數，在考察系統和環境的電子極化作用能時，則以並苯類共軛分子晶體為模型試探性的完成用極化分子力場來研究包含多體效應（極化能）的靜電相互作用，並以晶體結構小分子模型為例比較了價鍵結合密度泛函的（BLW-DFT）方法以模型體系為例來考察可極化力場與第一性計算的差別，計算表明：可極化力場方法可以較好描述系統和環境的靜電相互作用同時又可以推廣到半徑50Å超分子體系(11萬全原子體系)，進而描述凝聚相系統和環境的靜電相互作用。
