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《山东大学》 2007年
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有限元法分析有机凝胶微观网络结构和网络力学性质的关系与量化计算有机小分子电子结构

石井花  
【摘要】: 近年来,随着计算方法和计算机硬件的迅速发展,计算机模拟和量化计算在物理、生物、化学等领域发挥着越来越重要的作用。实验是根本,但在实验上经常遇到无法解释的现象或实验手段无法测量的量,这时就须从理论、计算上去探索现象的本质,计算未知的量。并且随着计算机能力的强大,计算模拟可以预言实验结果,指导实验方向。总之,只有实验和理论的紧密结合才能促进研究和应用的快速发展。 本着这种思想,我们紧密结合课题组中最新实验,对实验现象从理论计算角度去探索、理解。 近年来,人们发现某些小分子量有机化合物能在浓度很低的情况下(≤2wt%)使有机溶剂凝胶化,形成有机凝胶。有机凝胶通过特殊的弱相互作用(如氢键、静电、偶极、或π-π相互作用等)自组装形成线性、纤维状、带状或树枝状结构,这些结构再经交联而形成三维网络结构。三维网络结构通过表面张力限制有机溶剂的流动,从而使有机溶剂凝胶化。与传统的由共价键交联而形成三维网状结构的高分子或生物凝胶不同,小分子量有机凝胶具有热和化学上的可逆性、外部环境变化的敏感性,并且具有分子识别特性的网络结构。这些特点使其能够在诸如催化、传感技术、药物传递、分离手性化合物的特效色谱介质,以及具有特定形状的纳米无机材料制备的模板方面具有极大的潜在应用价值。在众多应用当中,有机凝胶具有一定的力学弹性是必不可少的要求。目前,人们对有机凝胶的种类、形成机制,热动力学性质,三维网状结构均有较多的研究。但关于有机凝胶结构和力学性质关系的研究还未见报道。 本人在课题组已有实验基础上,分析、理解实验结果,建立了二维的有机凝胶的网络模型。用商业化有限元软件-ABAQUS模拟网络的力学性质。我们研究了一系列结构和材料参数对网络力学弹性的影响,对网络在应变下的变形和应力分布也做了详细研究。 由上述研究我们得出以下结论; (1)网络弹性模量随纤维长度的减少而幂指数增加。通过比较模型和实际有机凝胶网络结构我们得出;保持树枝状结构单元的个数近似相同,减小纤维的平均长度,网络弹性模量急剧增加;或者保持纤维的平均长度大致不变,减少树枝状结构单元的个数使网络弹性模量增加,这些可以通过实验实现。 (2)当纤维的纵横比小于大约20时,纤维横截面半径的增加使网络弹性模量急剧增加;纵横比大于20时,横截面半径对网络弹性几乎无影响。 (3)增加网络的结点密度和纤维的硬度都会使网络弹性模量增加。 (4)树枝状网络的变形是由拉伸(压缩)变形主导的,大致属于均匀变形。由于树枝状的特殊结构,应力主要分布在中心点周围及由中心出发的几条半径上 有机双光子吸收材料在诸多领域如光限幅、双光子上转换激射、双光子荧光显微术、双光子光动力治疗、三维光信息存储以及三维微加工等方面有着潜在的应用前景。具有大的双光子吸收截面的强光子吸收材料是上述应用的基础。有机双光子材料已经研究很多,并且我们知道具有窄尺寸分布的Ⅱ-Ⅳ半导体纳米材料具有非常大的非线性光学响应。因此,为了探索具有大双光子吸收截面的强光子吸收材料,我们课题组研制了半导体纳米粒子与有机物复合体系;1,2,4,5-tetrakis(4-pyridylvinyl)benzene(TKPVB)/CdS和(E,E)-4-{2-[p'-(N,N-di-n-butylamino)stilben-pyl]vinyl}pyridine(DBASVP)/CdS。并研究了它们的单、双光子荧光性质。结果表明,DBASVP溶液中加入CdS后体系出现荧光增强现象,而TKPVB在加入CdS后呈现荧光淬灭现象。为了探索这种现象的本质,我们用密度泛函方法计算了两个有机分子的电子结构及前线轨道上的电荷分布。从能量转移和电荷转移的角度理解实验现象。所得结果和结论如下; (1)用b31yp/6-31g的方法计算TKPVB、DBASVP的前线轨道的电荷分布,吡啶环氮原子上的电荷分布提供了与金属离子配位的可能性。 (2)比较TKPVB、DBASVP的电子结构和CdS纳米粒子的能带结构,两种体系都有利于发生电荷转移,从而使荧光淬灭。但电荷转移需要有机分子与无机体系的紧密接触,考虑到CdS纳米粒子表面覆盖的二辛基丁二酸磺酸钠(AOT)大分子,电荷转移的几率很小。 (3)从CdS的吸收谱及有机分子的发射谱来看,CdS的吸收谱与TKPVB的发射谱有一定重叠,而与DBASVP的没有重叠,根据能量转移的速率与吸收谱与发射谱的重叠成正比,我们得出TKPVB/CdS体系发生能量转移使荧光淬灭。DBASVP/CdS体系几乎不发生能量转移。 综上所述,TKPVB/CdS体系发生荧光淬灭而DBASVP/CdS应无明显变化。但实验上DBASVP/CdS体系发生荧光增强。其可能的原因是CdS纳米微粒表面上的Cd~(2+)与DBASVP上的吡啶基团配位,形成了空间网络结构,这种较为刚性的结构,减弱了分子的振动,从而减少了分子激发态的无辐射衰减速率;另一方面,分子刚性的增加,常有利于增加分子的共平面性,从而有利于增大分子内π电子的流动性,也就有利于荧光的产生。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TB302

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【参考文献】
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【共引文献】
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