團(tuán)簇異構(gòu)體生長幾率的理論預(yù)測.pdf

1、指導(dǎo)小組成員名單寧西京教授摘要自然界普遍存在的團(tuán)簇是介于微觀原子分子與宏觀固體之間的物質(zhì)結(jié)構(gòu)新層次。團(tuán)簇研究無論對于基礎(chǔ)物理理論的完善，還是對于人類生產(chǎn)實(shí)踐活動的指導(dǎo)都具有重要的意義。與體材料不同，團(tuán)簇中原子數(shù)每增加或減少一個(gè)都可能對其原子分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響，因此導(dǎo)致團(tuán)簇各種奇特的物理化學(xué)特性。即便對于給定原子數(shù)的團(tuán)簇一也可能存在多種異構(gòu)體，對應(yīng)豐富的物理化學(xué)特性。因此，確定團(tuán)簇結(jié)構(gòu)是團(tuán)簇研究領(lǐng)域至關(guān)重要的一環(huán)。目前，人們己經(jīng)能夠利用

2、實(shí)驗(yàn)方法制備和分離出給定原子數(shù)目的團(tuán)簇，然而對小團(tuán)簇(原子數(shù)介于10和100之間)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)表征依然十分困難，因此相應(yīng)的理論研究便顯得尤其重要。在團(tuán)簇的眾多異構(gòu)體中，最可幾異構(gòu)體(生長過程中出現(xiàn)概率最大的異構(gòu)體)是人們最為關(guān)心的。然而，已經(jīng)持續(xù)了多年的理論研究至今尚沒有發(fā)展出普適的理論體系能夠準(zhǔn)確預(yù)測室溫下最可幾異構(gòu)體結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性(壽命)。事實(shí)上，團(tuán)簇的氣相生長一般都經(jīng)歷從高溫度到室溫的演化過程。雖然平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理已經(jīng)表明經(jīng)歷無限長時(shí)

3、間，最低勢能異構(gòu)體出現(xiàn)概率最大，然而在有限長的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，最低勢能異構(gòu)體未必是最可幾的。原則上，可以應(yīng)用經(jīng)典的或量子的分子動力學(xué)方法模擬團(tuán)簇的全部動力學(xué)過程，從而確定各種異構(gòu)體的形成幾率。然而這樣的模擬應(yīng)該能夠覆蓋團(tuán)簇的實(shí)際生長時(shí)間(一秒)，這是目前的分子動力學(xué)模擬(最多可達(dá)微秒量級)遠(yuǎn)不能覆蓋的時(shí)域。但是，我們組己有研究發(fā)現(xiàn)，在高溫環(huán)境中(例如2500K下的碳團(tuán)簇)，各種異構(gòu)體的轉(zhuǎn)換可在數(shù)百納秒時(shí)域內(nèi)達(dá)到平衡。因此本文將確定團(tuán)簇各種異

4、構(gòu)體的生成幾率問題轉(zhuǎn)化為:在高溫條件下形成的各種異構(gòu)體在室溫條件下如何相互轉(zhuǎn)化，即確定從一種異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為另一異構(gòu)體的時(shí)間。針一對上述問題，基于單原子統(tǒng)計(jì)物理模型，我們得到了團(tuán)簇異構(gòu)體相互演化所需時(shí)間與環(huán)境溫度的解析關(guān)系，并以Cl:團(tuán)簇為例，利用分子動力學(xué)模擬，驗(yàn)證了此關(guān)系的正確性。Cl:團(tuán)簇的異構(gòu)體主要有五種，其中雙環(huán)平面結(jié)構(gòu)勢能最低，在2500K的生長條件下，我們的分子動力學(xué)(M。)模擬表明，平面單環(huán)結(jié)構(gòu)的異構(gòu)體生成凡率最大。應(yīng)用我們