多中心LJ分子团簇的各向异性效应

摘要

刚性几何体的随机堆积问题被研究材料的科学家，生物研究者，化学家，工程师和物理学家研究，他们通过研究堆积问题来了解活细胞，液体，颗粒介质，玻璃和非晶体固体。很多种几何体的堆积问题都被人们关注。在化学领域，多边形的堆积，分子的堆积和原子的堆积最受关注。在这些研究当中，与Lennard-Jones团簇有关系研究与探索很多。当人们对这个团簇的研究相当透彻后，人们把Lennard-Jones模型作为标准与基础，把优化得到的结果与Lennard-Jones团簇进行比较，以期望得到研究对象堆积规律。
　　粒子在堆积时，每个粒子都可以在三维空间任意旋转，若粒子不是球型结构，那么，它的旋转势必会对整个团簇的构型产生影响。这样粒子在堆积时就有了空间上的取向问题，取向的不同产生的对团簇的影响就是各向异性效应。
　　本文中，我们选择了四种高度对称的分子建立模型:由四个同种原子构成的正四面体(TLJ)，由六个同种原子构成的正八面体(OLJ)，由八个同种原子构成的立方体(CLJ)，和由十二个同种原子构成的正二十面体(ILJ).分子间的作用力用多中心的Lennard-Jones模型描述。用Funnel hopping算法优化团簇，优化的最大尺寸为80。
　　主要内容如下:
　　1、TLJ团簇与OLJ团簇的研究
　　各向异性效应对TLJ团簇的影响很大，由于正四面体的各向异性效应很大，TLJ团簇的结构大都为不规则的，且对称性也不令人满意。从幻数结构来看，四个特征结构都是一些比较独特的几何体。TLJ团簇的结构与甲烷分子团簇的结构进行对比后发现，两者只有在尺寸为22到26之间时，结构相似，都为“雪茄”型。
　　OLJ团簇的结构很有意思。它也是具有较强的各向异性效应的，但是相比于TLJ团簇就弱很多了。各向异性效应使得OLJ团簇有了自己的结构规律。菱形十二面体是在OLJ团簇中发现的新结构。当团簇尺寸较大时，其它的全局最优结构都可以看成是由一个菱形十二面体或由多个最简单的菱形十二面体组成的。
　　OLJ15、OLJ65和OLJ175也是新发现的洋葱式序列，这个序列与团簇尺寸为N=13，55，147的三个LJ团簇之间的规律一样。
　　2、CLJ团簇与ILJ团簇的研究
　　由于各向异性效应，CLJ团簇结构是与众不同的。在研究CLJ团簇的过程中，新结构斜的面心立方被发现。CLJ8就是最简单的斜面心立方。当团簇尺寸N＜19时，团簇结构主要是一些简单的几何体和结构混乱的几何体。当N≥19时，所有的结构都可以看成是由CLJ8组成的。而CLJ8就是组成这些结构的结构单元。
　　对于二十面体的分子团簇来说，二十面体和面心立方结构是最稳定的结构。具体来说就是当N≤19时，ILJ的全局最优结构类似于LJ团簇，最稳定的构型都是二十面体。当N＞19时，ILJ的团簇最优结构比较偏爱面心立方，这就与LJ团簇不同了，不过ILJ38与LJ38一样，都是截角八面体，这一点值得注意。ILJ团簇与C60团簇也有差距。当尺寸比较小的时候，这两种模型得到的团簇结构是一样的，随着尺寸增长，C60分子团簇偏爱的六方密堆积和十面体构型在ILJ的团簇中都没有找到。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 团簇简介

1．1．1 团簇的概念

1．1．2 团簇的性质

1．1．3 团簇的研究进展及意义

1．2 本文的立题依据和选题意义

参考文献

第二章 理论基础和计算方法

2．1 原子团簇势函数模型的理论基础

2．1．1 经验势

2．1．2 紧束缚势

2．1．3 基于第一性原理的自治势

2．2 团簇的结构优化算法

2．2．1 无偏优化算法

2．2．2 有偏优化算法

2．2．3 本文优化的算法

参考文献

第三章 TLJ团簇与OLJ团簇的研究

3．1 引言

3．2 理论与计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 TLJ团簇优化结果

3．3．2 OLJ团簇优化结果

3．4 结论

参考文献

第四章 CLJ团簇与ILJ团簇的研究

4．1 引言

4．2 理论与计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 CLJ团簇优化结果

4．3．2 ILJ团簇优化结果

4．4 结论

参考文献

第五章 全文总结

致谢

附录