水体系中K+与水分子之间成键的AIM动力学研究

摘要

水是大自然赋予我们的宝贵资源，也是人类赖以生存的必要条件。它在化学、生物过程中起着关键的作用，表现出一些特殊的性质，值得我们进行深入研究。对水的结构和性质有一透彻的了解是非常必要的。
　　水分子具有特殊性质是由于水中能够形成氢键网络。这种氢键网络并不是固定的，每一个水分子中氢键的数目和氢键的强度都在不断的变化。虽然水的特殊性质来自于水中的氢键这一观点已经被广泛的接受，液态水的基本动力学过程是氢键的不断形成和断裂。但是，到目前为止，水的这种动力学过程并没有完全的被人类所揭示！
　　除此以外，水分子团簇与各种金属离子结合在生物与化学中起到很重要的作用。例如碱金属中的钾离子与水分子形成的K+-H2O团簇在生物体钾离子通道的选择中起到了重要的作用。本文主要介绍K+与水分子之间的成键。
　　当前，Car-Parrinello动力学方法(CPMD)是一种主要的基于第一原理的从头分子动力学方法。在本文中，我们用CPMD对液态水体系进行计算机模拟。研究水体系的性质。
　　通过对液态水分子体系和水体系中K+与水分子之间成键的模拟结果的统计分析，得到了以下结论:
　　1.水体中通过CCSD(T)/Aug-cc-pVTZ水平计算得到的氢键能量与用AIM原理得到的氢键临界点的电子密度呈线性关系，通过此关系可以计算出氢键能量。
　　2.经过统计分析CPMD模拟得到的数值可以知道：水体系中氢键的能量符合高斯分布。
　　3.考虑到超冷水体系(250K)拥有一个非常协调的四面体几何结构，我们计算出常温下的水体系甚至超热水体的局部结构在一定程度上为扭曲的四面体结构。
　　4.钾离子与水中氧原子的径向分布函数表明：常温下的液态体系中，钾离子与第一水合层之间作用强烈，而在其它水合层则趋于和缓。
　　5.钾离子与一、二两个水合层中的水分子均发生作用。因为K+-H2O之间形成的较强的键，所以第一水合层中离子与水的结合在250K～350K时很稳定。
　　6.通过几何学标准得到的液态体系中钾离子与水中氧原子的平均配位数300K时为6.24，450K时为6.53，这与实验值(6.1)相一致。这个几何学标准同样适用于划分液态体系中氢键的强弱。
　　通过对水体系的研究分析我们得到一些定量结果。使我们对水体系的微观性质有了更为深刻的认识。

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第一章 绪 论

§1-1 课题来源及研究现状

§1-2 水分子的团簇结构

§1-3 离子与水分子的团簇结合的生物学作用

§1-4 论文的主要工作

第一章 从头分子动力学计算的理论基础

§2-1 引 言

§2-2 密度泛函理论简介[40-44]

§2-3分子动力学CPMD的基本原理[37, 45-51]

第二章 液态水的从头分子动力学(CPMD)模拟

§3-1 引 言

§3-2 水分子模型的建立

§3-3 CPMD 的计算过程

§3-4 CPMD分子动力学模拟输出结果简单介绍

第三章 用AIM理论研究水体系中K+与水分子之间的成键

§4-1 CPMD的计算过程

§4-2 CPMD分子动力学模拟输出结果简单介绍

第四章 用从头算动力学来模拟钾离子溶液的水合作用

§5-1 径向分布函数理论[67]

§5-2 计算方法

§5-3 结果与讨论

第五章 结 论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果