基于密度泛函理论研究受限水的太赫兹频谱和电子特性

Study on Terahertz Spectrum and Electronic Properties of Confined Water Based on Density Functional Theory

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摘要利用密度泛函理论探究受限于纳米通道内的水分子结构、集体振动频率以及电子特性.研究表明受限于直径为0.677～1.086 nm的纳米通道内的水分子,它们在太赫兹频段存在两种典型的振动模式,一种是平行于通道的轴向集体振动,另一种是受限水分子间的氢键拉伸振动.通过对比不同受限域下,受限水的这两种典型的振动模式所对应的特征频率,发现它们的数值变化存在一定的规律.对于受限水的轴向集体振动,随着通道的管径从0.677增大到0.815 nm,它所对应的特征频率整体发生了红移,然而随着管径继续增大,该特征频率的变化发生了分化,即一部分发生了红移,另一部分发生了蓝移.对于受限水的氢键拉伸振动,随着管径从0.677增大到0.815 nm,它所对应的特征频率整体发生了蓝移,然而随着管径继续增大,该特征频率的变化也发生了分化.其内在机理通过电子密度拓扑分析揭示为:水分子与通道或水分子间所形成H…π键和O…H键的键临界点电子密度ρ值的减小造成了键振动的红移,反之造成蓝移.鉴于细胞的动力学平衡,例如渗透压和体积变化,它们与受限水在水通道中的结构和动力学特性紧密相关,本研究将有助于在分子层次加深太赫兹波与受限水相互作用的理解,进而促进太赫兹技术在生物医学方面的应用.