基於分子簇模型研究化學微環境對分子轉子的調控作用

《基於分子簇模型研究化學微環境對分子轉子的調控作用》是依託電子科技大學,由王先龍擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於分子簇模型研究化學微環境對分子轉子的調控作用
• 依託單位：電子科技大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王先龍

項目摘要

分子機器和分子馬達是當前納米科技和材料科學研究的前沿與熱點領域。分子轉子作為一類關鍵器件，設計和實現具有指定轉動特性的轉子是分子機器或馬達研究中所面臨的關鍵科學問題之一。而分子轉子所處的化學微環境，包括轉子、靜子和轉動軸等共價結構在內的分子內相互作用和由范德華作用力等組成的分子間相互作用，是決定其轉動能壘、轉動速率的根本因素。本課題以數百個原子構成的分子簇模型來模擬分子轉子的化學環境，以密度泛函理論等電子結構計算方法獲得經典轉動勢能面，所獲得的轉動能壘可由溫度依賴的核磁共振弛豫速率測量等實驗來驗證。根據比較孤立的單分子轉子和其在不同化學微環境中能壘的差別，可以獲得空間位阻、取代基、電子結構、和分子間相互作用等因素對各種類型轉子的調控作用。研究結果將有助於闡明轉動子如何在不同作用力之間達到平衡、實現能量轉換、提高或降低能壘這一關鍵科學問題，為分子轉子的理性設計與實現提供方法和理論指導。

結題摘要

分子機器和分子馬達受當前納米科技時代研究的熱點領域。分子轉子作為一類關鍵分子器件，設計和實現具有特定轉動性質的轉子是所面臨的關鍵科學問題之一。本項目以量子化學計算結合核磁共振弛豫速率測量等多種實驗手段考察了化學微環境對分子轉子的調控作用。首先我們發展了基於分子簇模型模擬凝聚態中轉子化學微環境的理論模型，實現對分子間相互作用力準確的描述，並可區分分子內作用力和分子間作用力的貢獻、分析不同分子間作用力的影響。通過對甲基、甲氧基和叔丁基在類似芳香化合物中的轉動能壘研究，提出空間位阻和超共軛效應是兩種決定轉動能壘的分子內作用力；而分子間作用力的調控作用與其角度分布各向異性強烈相關。通過對比實驗結果和理論計算數據，我們還揭示了在甲氧基和叔丁基中存在的分子內轉動耦合現象。受不同化學微環境的影響，甲基和整體叔丁基的轉動耦合呈現三種類型，其質子自旋晶格弛豫方程可簡化為不同形式。除了發表多篇研究論文外，完成了一部有特色的分子轉子理論計算英文專著。