水的激發(fā)態(tài)性質(zhì)與動力學的多體格林函數(shù)理論研究結題摘要

本項目的主要工作是利用多體格林函數(shù)理論（包括GW方法和Bethe-Salpeter方程），通過對凝聚相水和水團簇激發(fā)態(tài)性質(zhì)與激發(fā)態(tài)動力學的研究，探討水光解的機理，為發(fā)展高效的光解水催化劑提供有價值的理論信息。該項目也擬在多體格林函數(shù)理論框架內(nèi)發(fā)展新的激發(fā)態(tài)作用力計算方法和計算程序，用以發(fā)展新的激發(fā)態(tài)動力學理論研究工具。 該項目主要從以下幾方面開展了研究： （1）將基于coupled perturbed Hartree-Fock理論的Z-vector方法與多體格林函數(shù)理論相結合，推導出了在多體格林函數(shù)理論框架內(nèi)解析計算激發(fā)態(tài)作用力的新方法，并開發(fā)了計算程序。 （2）通過對固相冰的研究，發(fā)現(xiàn)凝聚相水的Urbach光吸收尾巴來源于氫氧根離子和水自電離過程中的瞬態(tài)結構，凝聚相水在吸收峰附近紫外光照射下的光解是一個無勢壘過程，涉及質(zhì)子與電子的協(xié)同傳輸。 （3）在對水團簇的研究中，發(fā)現(xiàn)光吸收峰能量與每個水分子的平均氫鍵數(shù)目密切相關；發(fā)現(xiàn)高能量的離域化激子與低能量的高度局域化激子共存，而后者則是發(fā)生光解的可能位置。 （4）對TiO2和二維C3N4這兩種重要的光解水催化劑與水溶液界面處的電子結構和激子性質(zhì)開展了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)界面電場對水溶液中基團的能級和捕獲光生空穴的能力具有重要影響。發(fā)現(xiàn)了水在這兩種催化劑表面光解過程中幾個重要中間態(tài)、激發(fā)態(tài)之間以及激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的非絕熱躍遷現(xiàn)象、以及影響水光解效率的重要因素。 （5）發(fā)展自洽的GW計算方法和程序?qū)iO2中缺陷和雜質(zhì)的電子結構開展了系統(tǒng)研究，圓滿解釋了實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了陰離子雜質(zhì)在TiO2中新的成鍵規(guī)則，并發(fā)現(xiàn)了目前廣泛使用的DFT U和雜化泛函方法在研究這類體系中的重要不足。 （6）在該項目的資助下，還在多體格林函數(shù)理論框架內(nèi)發(fā)展了計算激子能量傳遞速率的新理論方法和計算程序，并藉此研究了光合作用體系中類胡蘿卜素與葉綠素之間、碳納米管周期性體系之間的能量傳遞機制。 在該項目的資助下，發(fā)表SCI論文20余篇，獲得2017年度山東省自然科學一等獎。

在紫外線輻照下，不同結構的水（包括水分子團簇、液態(tài)水、冰）中水分子的光解是自然界重要的光化學過程，其中還有很多懸而未決的問題。本申請擬利用我們開發(fā)的多體格林函數(shù)理論激發(fā)態(tài)動力學模擬程序研究不同結構的水在激發(fā)態(tài)的性質(zhì)和動力學過程，以增進對水光解機制的理解。這方面的研究包含兩部分，（1）不同尺寸和構型的水分子團簇中水分子在不同波長紫外線輻照下的光解過程；（2）液態(tài)水和冰的光吸收譜與激子性質(zhì)，液態(tài)水和冰中的缺陷與表面對激發(fā)態(tài)的影響，以揭示液態(tài)水和冰的光吸收譜中Urbach tail的來源及其對光解的貢獻。在計算激發(fā)態(tài)作用力時，我們目前的程序采用了有限差分法。為了進一步提高計算精度和效率，在該項目中，我們也將發(fā)展一種在多體格林函數(shù)理論框架內(nèi)解析計算激發(fā)態(tài)作用力的新方法，該方法將采用在coupled perturbed Hartree-Fock理論基礎上發(fā)展起來的Z-vector方法。

《MSC Adams多體動力學仿真基礎與實例解析》以Adams2012版本為基礎，從剛體建模到柔體建模，約束添加，如包括各種常用鉸接、驅(qū)動、力元、接觸與摩擦等，對不同仿真控制方式和不同分析計算類型，以及相關求解器都做了相關說明，還對傳感器的應用，用戶自定義界面和宏操作，參數(shù)化設計，試驗設計和優(yōu)化計算進行講解。另外，對一些專門應用模塊工具也進行了介紹，如齒輪模塊、履帶模塊、控制模塊和振動仿真分析模塊，尤其是控制模塊還可以和其他軟件如MATLAB和Easy5進行控制和液壓的聯(lián)合仿真，實現(xiàn)真正意義上的機電液一體化仿真。所附光盤中包括書中實例的模型文件及Adams學生版軟件。

研究磁流體運動性質(zhì)的科學，又稱流體磁學 (hydromagnetics) 或 磁氣動力學 ( magnetogas dynamics)。動力學的分支，電動力學和流體動力學的交叉學科。研究對象是與磁場相互作用的流體運動。

磁流體動力學的主要研究內(nèi)容：①液態(tài)金屬的運動性質(zhì);②電離氣體或等離子體流動性的理論研究及應用研究。包括受控熱核反應、超聲飛行條件的模擬、對外空間推進的離子動力、重返大氣層的空間飛 行器的制動、高能粒子加速器、微波發(fā)生器、熱離子 能量轉換裝置、薄金屬敷層的應用以及宇宙和上層大 氣現(xiàn)象的研究等。