环境和分子相变β-胡萝卜素二阶电子-声子耦合研究
发布时间：2021-10-29 07:40
近十年,由于在显示技术、光伏研究、可穿戴设备中具有应用潜力,π共轭有机分子持续引发科研人员的研究兴趣。线性多烯分子是具有共轭双键直链状结构的分子,有非线性系数大、光电响应快等特点,因此,它是研究π共轭体系典型分子之一。类胡萝卜素包含有众多种类的同分异构体,其中最常见的有β-胡萝卜素,其在自然界中分布广泛,是研究π共轭有机体系的理想候选分子。分子间相互作用一直以来都是物理化学研究中的热门领域,分子间相互作用具有多种多样的形式,如同类分子相互作用,相变、π-π堆积等;分子间相互作用对π共轭分子的电子能隙（吸收光谱）,振动跃迁（拉曼、红外光谱）有显著的影响。研究分子间相互作用对充分开发利用π共轭分子的光电性能有重要作用。电子-声子耦合是研究电子跃迁与分子振动过程中重要的物理量,电子-声子耦合系数可以反映类胡萝卜素分子激发态势能面与基态势能面的位移情况,并且类胡萝卜素分子的有效共轭长度是影响该系数的关键参数之一,因此,研究电子-振动耦合系数随环境的分子相变时的电子-声子耦合对研究类胡萝卜素分子的光电功能有重要价值。本文利用吸收光谱、共振拉曼光谱、变温和高压等技术手段,以及负二阶导数拟合法、二维...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
一些共轭低聚物，其中n是重复单元的数目，N是共轭长度，共轭结构以蓝色区域表示[18]
有效辅助了的生命科学的发展[22][23]。同期，理论研究也随着激光器的问世有很大进展，基于量子理论的拉曼散射理论得到了验证，利用多烯分子研究电子态和振动态之间的联系成为了热点[24]。Hückel分子轨道理论简洁明了地给出了共轭对电子结构的影响，这种方法主要关注于成键轨道π，和反键轨道π*，是由相邻的碳原子p型轨道组成，而sp2轨道，形成了σ轨道[25]。这一理论发展也就形成之后我们常说的π-π*电子跃迁和分子轨道理论的最高被占据态（HUMO）和最低未占据态（LUMO），如类胡萝卜素的吸收光谱就源于π-π*电子跃迁。图1.2为典型的分子轨道示意图[18]。图1.2典型的分子轨道示意图[18]此时，出现了许多关于共轭多烯分子的理论以及实验研究，β-胡萝卜素作为类胡萝卜素分子的典型代表在研究中得到了广泛使用[26]。深入研究后，研究人员发现β-胡萝卜素存在允许跃迁态和禁止跃迁态[27][30]。即S0(11Ag-)-S2(11Bu+)为允许跃迁，而S0(11Ag-)-S1(21Ag-)为禁止跃迁的，这是基于对称性角度分析的结果。因此，吸收光谱中往往不能直接观测到关于类胡萝卜素S1激发态的光谱信号。而究竟是什么原因导致了这一现象，至今仍然没有定论[31]。许多研究表明，
第一章绪论3共轭长度N较短的类胡萝卜素具有较为明显的荧光发光现象，而N>10的类胡萝卜素分子荧光量子产率非常弱，经过研究发现这是由于S2-S1只有非常短暂的激发态驰豫时间(~300fs)，严重削弱了S2态发出的荧光[32]。类胡萝卜素在生命科学中有着非常重要的地位，是由于其在光合作用中扮演了十分重要传递能量的角色。在光合作用中起主要作用的叶绿素在450-550nm区间无法获得很多光子能量，而在该区间，地球表面的太阳辐射（光谱）具有最大强度，这正是类胡萝卜素吸收强光的区域。他们能够将这种激发能传递给叶绿素，从而使其能够为光合作用提供动力(图1.3)[33]。图1.3太阳光谱和各种色素吸收光谱(左图)，光能转换过程示意图植物光合作用经过了长期演化发展出了独特的光捕获天线系统，以有效地收集太阳能。地球上的光养生物通过进化，开发了自己的具有特征吸收带的独特天线系统来吸收太阳辐射。比如在深海中的光合作用生物，其类胡萝卜素的吸收带处于紫外区域，这是由于在深海区域也只有能量较高的太阳辐射能够抵达。学习植物们的智慧并复制自然界的光合作用，是开发高效光收集系统的关键，只有突破这一瓶颈才可以充分利用太阳光能，这不仅适用于人工光合作用，而且还适用于其他形式的太阳能转换[33]。类胡萝卜素最大的特点是可以在各种环境下发挥其作用，而已知的理论往往没有考虑外界环境的影响，鉴于类胡萝卜素在自然界的广泛分布，说明其一定具有广泛适应环境的特性。因此研究不同的环境因素对类胡萝卜素的影响，不仅有助于理解共轭分子的物理化学特性，提供重要的理论参考价值，还可以为今后研制高效光能捕获系统提供实验参考。
【参考文献】：
期刊论文
[1]全反式类胡萝卜醛（all-trans-β-Apo-8’-carotenal）的飞秒时间分辨瞬态吸收光谱[J]. 张蕾,全冬晖,汪力,杨国桢,翁羽翔. 中国科学G辑:物理学、力学、天文学. 2004(01)
本文编号：3464250
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
一些共轭低聚物，其中n是重复单元的数目，N是共轭长度，共轭结构以蓝色区域表示[18]
有效辅助了的生命科学的发展[22][23]。同期，理论研究也随着激光器的问世有很大进展，基于量子理论的拉曼散射理论得到了验证，利用多烯分子研究电子态和振动态之间的联系成为了热点[24]。Hückel分子轨道理论简洁明了地给出了共轭对电子结构的影响，这种方法主要关注于成键轨道π，和反键轨道π*，是由相邻的碳原子p型轨道组成，而sp2轨道，形成了σ轨道[25]。这一理论发展也就形成之后我们常说的π-π*电子跃迁和分子轨道理论的最高被占据态（HUMO）和最低未占据态（LUMO），如类胡萝卜素的吸收光谱就源于π-π*电子跃迁。图1.2为典型的分子轨道示意图[18]。图1.2典型的分子轨道示意图[18]此时，出现了许多关于共轭多烯分子的理论以及实验研究，β-胡萝卜素作为类胡萝卜素分子的典型代表在研究中得到了广泛使用[26]。深入研究后，研究人员发现β-胡萝卜素存在允许跃迁态和禁止跃迁态[27][30]。即S0(11Ag-)-S2(11Bu+)为允许跃迁，而S0(11Ag-)-S1(21Ag-)为禁止跃迁的，这是基于对称性角度分析的结果。因此，吸收光谱中往往不能直接观测到关于类胡萝卜素S1激发态的光谱信号。而究竟是什么原因导致了这一现象，至今仍然没有定论[31]。许多研究表明，
第一章绪论3共轭长度N较短的类胡萝卜素具有较为明显的荧光发光现象，而N>10的类胡萝卜素分子荧光量子产率非常弱，经过研究发现这是由于S2-S1只有非常短暂的激发态驰豫时间(~300fs)，严重削弱了S2态发出的荧光[32]。类胡萝卜素在生命科学中有着非常重要的地位，是由于其在光合作用中扮演了十分重要传递能量的角色。在光合作用中起主要作用的叶绿素在450-550nm区间无法获得很多光子能量，而在该区间，地球表面的太阳辐射（光谱）具有最大强度，这正是类胡萝卜素吸收强光的区域。他们能够将这种激发能传递给叶绿素，从而使其能够为光合作用提供动力(图1.3)[33]。图1.3太阳光谱和各种色素吸收光谱(左图)，光能转换过程示意图植物光合作用经过了长期演化发展出了独特的光捕获天线系统，以有效地收集太阳能。地球上的光养生物通过进化，开发了自己的具有特征吸收带的独特天线系统来吸收太阳辐射。比如在深海中的光合作用生物，其类胡萝卜素的吸收带处于紫外区域，这是由于在深海区域也只有能量较高的太阳辐射能够抵达。学习植物们的智慧并复制自然界的光合作用，是开发高效光收集系统的关键，只有突破这一瓶颈才可以充分利用太阳光能，这不仅适用于人工光合作用，而且还适用于其他形式的太阳能转换[33]。类胡萝卜素最大的特点是可以在各种环境下发挥其作用，而已知的理论往往没有考虑外界环境的影响，鉴于类胡萝卜素在自然界的广泛分布，说明其一定具有广泛适应环境的特性。因此研究不同的环境因素对类胡萝卜素的影响，不仅有助于理解共轭分子的物理化学特性，提供重要的理论参考价值，还可以为今后研制高效光能捕获系统提供实验参考。
【参考文献】：
期刊论文
[1]全反式类胡萝卜醛（all-trans-β-Apo-8’-carotenal）的飞秒时间分辨瞬态吸收光谱[J]. 张蕾,全冬晖,汪力,杨国桢,翁羽翔. 中国科学G辑:物理学、力学、天文学. 2004(01)
本文编号：3464250
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