有机单分子膜在金属及金属氧化物表面吸附规律的研究

Adsorption behavior of organic monolayer on inorganic surface has been an important novel focus in surface chemistry. There have been difficulties in analyzing the detailed structure with conventional experimental methods. In this project, the adsorption behavior of organic monolayer on metal or metal oxide surface has been comprehensively investigated. By comparing with experimental results, the adsorbing configuration of organic molecules has been studied from the microcosmic view. The project can provide comprehensive prediction for synthesizing surface coating materials with specific functions. In this project, the accurate calculated interactions between an organic molecule metal (metal oxide) atoms will be obtained with quantum chemistry method first. After that, these results will be used to couple the parameters describing atoms interactions in the corresponding molecular force field. Consequently, the coupled force field parameters will be applied to simulate nano-scale organic monolayer and inorganic substrate system. The accuracy of coupled force field parameters is verified by comparing the simulation results with experiments. Combining DFT and ab initio molecular dynamic method, the classic molecular dynamics can be used to study unique properties of monolayer system. At last, a classic molecular dynamic software package will be developed in this project. The package will be designed including the force field parameter developed by previous research and with a friendly interface which is easy to use.

有机单分子膜在无机基质表面吸附行为是表面化学研究的前沿重点问题。传统的实验表征方法难以反映单分子膜吸附的精细结构。本项目拟通过计算化学的研究方法，结合实验结果，研究有机单分子膜在金属和金属氧化物表面的吸附，力求从微观尺度深入理解有机分子的吸附方式，为合成有特异性功能的表面镀膜材料提供全面细致的理论预测。本项目首先拟应用量子化学计算方法得到准确的有机分子-金属（金属氧化物）相互作用，通过数学拟合得出相应的分子力场中描述原子间相互作用的参数；进而应用得到的分子力场参数模拟纳米尺度的有机单分子膜-无机基质体系，通过和已有实验结果进行对比验证分子力场的准确性。拟将分子动力学方法与DFT及从头算分子动力学法联合使用，可以对材料的特殊性质进行研究。最后拟通过将所得到的分子力场参数进行归纳总结，编写出适用于模拟有机分子-无机物界面体系的，界面友好，易于操作的分子动力学软件程序包。

本项目主要着眼于小分子（如有机分子、气体分子等）与无机物之间相互作用的分子力场参数。通过量子化学从头计算法，对经典分子力场的力场参数进行拟合，得到适用于描述非生物质体系的经典分子力场参数。. 本项目的重要成果如下：. 1.根据实际需要，研究和整理了模拟经典分子力场参数的流程。其中，对于非键相互作用，范德华作用部分基于量子化学计算和“最小二乘拟合”，通过我们自制的小程序，可以很好的拟合得到分子力场参数；库伦部分，则可以通过计算有机小分子和水之间的相互作用得到适用于CHARMM力场的分子动力学参数。对于成键作用的模拟，我们通过量子化学计算中，频率计算的结果得出合适的键长，键角，二面角的力场参数。. 2.研究了有机单分子层在金（111）面和水表面的排列性质。并和实验结果对比。研究表明单分子层在金（111）表面的排列受吸附基团和分子间氢键的共同作用。通过研究有机单分子层在水表面的吸附情况，我们发现分子间氢键会影响膜内分子的均一稳定的排列，并增加Langmuir-Blodgette过程的表面压力。. 3.对于染料敏化太阳能电池体系，我们对有机小分子在二氧化钛表面的结合方式进行了研究，这将作为我们下一步拟合力场参数的基础。. 4.利用我们的分子力场拟合方法，我们研究了荧光阴离子探针特异性检测HS-离子和CN-离子的机理。并将我们的体系拓展到金属团簇，碳纳米管等体系。. 通过本项目的资助，我们掌握了从量子化学计算的结果拟合经典分子力场参数的方法，并将这种方法试用于一系列研究体系。我们的研究发现，无论是在金属表面，水相和有机相界面，还是在阴离子检测过程中，分子间氢键，对于分子内的结构取向和分子间的排列具有重要影响。通过拟合所需要的力场参数，可以将经典分子动力学模拟应用于多种无机物—有机物相互作用体系。为通过理论计算合理的预测纳米材料的性质和反应的机理在纳米尺度上提供了新的思路。