理論化學(xué)研究進(jìn)展以及在可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用

吳才智

摘 要： 文章對(duì)近年來理論化學(xué)研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理，并對(duì)其在有機(jī)功能材料中的應(yīng)用展開探究，論述理論化學(xué)在我國可持續(xù)發(fā)展中產(chǎn)生的價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 理論化學(xué);可持續(xù)發(fā)展;應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】O613.72 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【文章編號(hào)】1674-3733（2020）05-0281-01

現(xiàn)代化學(xué)基于統(tǒng)計(jì)力學(xué)以及量子力學(xué)構(gòu)建起理論體系，在自然科學(xué)發(fā)展中有著不可忽視的價(jià)值，但隨著化學(xué)在社會(huì)實(shí)踐中的應(yīng)用與發(fā)展，計(jì)算化學(xué)、理論化學(xué)也有了長(zhǎng)足發(fā)展，其從化學(xué)理論方法、化學(xué)解釋、化學(xué)概念等角度出發(fā)解決環(huán)境領(lǐng)域、生命科學(xué)領(lǐng)域、能源領(lǐng)域出現(xiàn)的科學(xué)問題。因此，對(duì)近年來理論化學(xué)在國內(nèi)外取得的成果與研究進(jìn)展進(jìn)行梳理，了解理論化學(xué)在可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用，更深入的了解理論化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系。

1 理論化學(xué)研究進(jìn)展

理論化學(xué)仍以現(xiàn)代化學(xué)的統(tǒng)計(jì)力學(xué)與量子力學(xué)為基礎(chǔ)，很多學(xué)者更是將理論化學(xué)作為量子力學(xué)的一部分來看待，但從理論力學(xué)的核心內(nèi)容電子結(jié)構(gòu)理論以及化學(xué)動(dòng)力學(xué)理論來看，其始終以量子力學(xué)中的兩個(gè)方程為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行研究，一是狄拉克方程、二是薛定諤方程?；诖耍陙?，國內(nèi)外取得了突出的研究成果：

1.1 國外研究進(jìn)展

2007年，劍橋大學(xué)在分子柔性與力場(chǎng)具有可轉(zhuǎn)移性上的研究使分子間相互作用勢(shì)的價(jià)值得到了進(jìn)一步發(fā)掘，從而在利用分子研發(fā)小分子材料，用于更高端材料研發(fā)有了可靠方法;同時(shí)也在這一年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)逩erhard Ertl展開了關(guān)于催化Haber-Bosch表面機(jī)理的分析，通過分子碰撞產(chǎn)生的能量激發(fā)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，是實(shí)現(xiàn)氨肥合成的關(guān)鍵因素，這一機(jī)理有效的解決該問題;2018年，Science雜志出版了一本關(guān)于理論化學(xué)的專輯，其主要對(duì)如何解決蛋白質(zhì)折疊問題進(jìn)行分析[1]。

1.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

相比于國外，國內(nèi)關(guān)于理論化學(xué)的研究成果也十分豐富，2008年柳志剛基于理論層面對(duì)有機(jī)功能材料性能進(jìn)行的解析，得到了計(jì)算其性能的若干種方法;黎書華學(xué)者關(guān)于大分子體系的研究在國際上引起轟動(dòng)，其提出的線性標(biāo)度方法彌補(bǔ)了以往研究的空白;劉文劍學(xué)者在BDF程序研發(fā)方面取得了突出成績(jī)，或得2006年化學(xué)領(lǐng)域的諸多獎(jiǎng)項(xiàng)。

2 理論化學(xué)在可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用

從上述內(nèi)容可知，國內(nèi)外關(guān)于理論化學(xué)的研究在電子結(jié)構(gòu)、動(dòng)力力學(xué)方面都取得了一定的成績(jī)，但有機(jī)材料領(lǐng)域與可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)，人們對(duì)于在這一領(lǐng)域如何利用有機(jī)材料減少對(duì)不可再生能源的消耗有著更強(qiáng)烈的興趣。因此，在上個(gè)世紀(jì)關(guān)于該方面的探究也在不斷進(jìn)行，本次分析主要基于理論化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，通過蒙特-卡羅提出的動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)有機(jī)材料如何產(chǎn)生能量、實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、能量轉(zhuǎn)換上限進(jìn)行探究[2]。

具體來將，高分子材料本身具有異質(zhì)結(jié)光伏，當(dāng)太陽光照射在有機(jī)材料中，最先通過透明電極，再刺激單線態(tài)激子，使其能夠利用Frater過程實(shí)現(xiàn)遷移，運(yùn)動(dòng)至材料中的受體界面，在抵達(dá)后自身自動(dòng)進(jìn)行電荷分離，擺脫給體中存在的各種束縛，傳遞給受體材料，材料中存在內(nèi)電場(chǎng)可以驅(qū)動(dòng)電子，并通過材料中存在的空穴進(jìn)行個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的穿梭，最終被電極回收。但這個(gè)過程受材料給受體微觀尺度的影響，在電子穿梭過程中，要保障區(qū)域尺度處于最小狀態(tài)，以保障電子有充足的能量達(dá)到給受體界面，避免激子出現(xiàn)萎縮，同時(shí)，也可以利用尺度調(diào)整保障激子運(yùn)動(dòng)的高效率進(jìn)行[3]。但在微觀尺度較小狀態(tài)下，無法保障電荷傳輸質(zhì)量，尤其是在空穴傳輸中，電子容易陷入空穴。面對(duì)該情況，理論力學(xué)中研發(fā)多種算法：

（1）建立起三維格點(diǎn)陣列，假設(shè)高分子團(tuán)直徑為3cm，處于相鄰狀態(tài)的同類分子團(tuán)在任何情況下也無法實(shí)現(xiàn)能量增加，但為異類時(shí)，則可增加J/2值的能量;再通過自旋交換概率對(duì)整個(gè)體系的能量變化進(jìn)行計(jì)算，公式為：

P（△ε）=exp（-△εlkBT）/（1+exp（-△εlkBT））

（2）利用第一反應(yīng)算法對(duì)高分子團(tuán)激子運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生有機(jī)光伏的整個(gè)過程進(jìn)行模擬，配合FRM思想按照順序進(jìn)行離散事件排列，這部分則基于計(jì)算化學(xué)展開，形成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并按照構(gòu)象對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，從而確定每個(gè)事件在發(fā)生前的等待時(shí)間以及發(fā)生過程中消耗的時(shí)間[4]。具體來講，主要應(yīng)用第一反應(yīng)算法進(jìn)行有機(jī)光伏電池模擬，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，光伏電池中存在激子、電子、空穴三種可移動(dòng)粒子，三者均常見于具有一定濃度的高分子材料當(dāng)中，第一反應(yīng)算法將高分子材料中每一個(gè)粒子看做一個(gè)事件，通過對(duì)其體系構(gòu)象的分析與改變，描述事件的發(fā)生與等待時(shí)間，并按照等待時(shí)間將事件進(jìn)行排列，形成一個(gè)臨時(shí)序列;隨著時(shí)間體系構(gòu)象的演變，事件也自覺隨之更新，反饋著整個(gè)演變過程的推進(jìn)情況。但在推進(jìn)的過程中，有特殊時(shí)刻存在，事件序列中的第一個(gè)事件體系與構(gòu)象演變結(jié)束，從序列中被剔除，序列將重新進(jìn)行排序，但這個(gè)序列中事件等待時(shí)間發(fā)生了變化，需要將剔除事件等待與消耗時(shí)間同時(shí)剔除。

按照第一反應(yīng)法的這一原則，可對(duì)高分子材料所有粒子的演進(jìn)與等待時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，從而選擇等待時(shí)間最少的序列以及粒子，將其插入到整個(gè)序列當(dāng)中，優(yōu)化高分子結(jié)構(gòu)排序。

結(jié)束語：綜上所述，我國理論化學(xué)在艱難歲月中開創(chuàng)，經(jīng)過幾代人的不懈努力，逐步形成體系，但與發(fā)達(dá)國家仍然存在差距，未來我國理論化學(xué)將朝著創(chuàng)新發(fā)展方向不斷前進(jìn)，在材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、納米科學(xué)等領(lǐng)域中深度滲透，實(shí)現(xiàn)與更多學(xué)科交叉應(yīng)用，從而將其社會(huì)價(jià)值更充分的體現(xiàn)在社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中。

參考文獻(xiàn)

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