hn@c30的结构和性能研究(附件)【字数：9582】
本次采用密度泛函理论（DFT）中的B3LYP方法和6-3 1G(d)基组计算优化Hn@C30得到稳定构型，然后选择能量最低的构型作为基态构型，并计算它们的物理化学性质。分别为C30-1；C30H4-3(out)；C30H8-2(out)；C30H6-4(out)；C30H12-1(in)。主要研究内容概括如下（1）通过优化Hn@C30的几何构型，得到Hn@C30的基态构型，确定它的对称性。与C30相比，氢原子的介入使得碳笼发生了轻微膨胀。（2）通过分析结构稳定性，可知Hn@C30比C30的化学稳定性和热力学稳定性弱，化学活性增强。（3）通过自然键轨道（NBO）的分析表明了C原子的NBO电荷主要集中分布在2p轨道，且在C原子内部和C原子之间均有杂化现象。（4）通过对Hn@C30的振动光谱分析，普遍在频率为3500cm-1左右出现峰值。红外光谱图中有多个较强的振动峰。最强峰值表明该原子是连接碳笼的其他原子做伸缩运动。（5）磁性分析C30H6的磁矩为4，其他基态结构为0。（6）极化率分析Hn@C30的稳定性比C30弱些 ，离域效应较大一些。（7）NICS分析通过对Hn@C30的NICS分析发现，Hn@C30普遍具有芳香性，其中C30H6具有多重芳香性。 关键词 H2@C30；物理化学性质；密度泛函理论
目录
第一章 绪论 1
1.1 团簇物理简介 1
1.1.1 团簇的基本概念 1
1.1.2 团簇研究的主要内容 1
1.1.3 团簇研究的意义 2
1.2 小富勒烯的研究进展 2
1.3 本论文研究内容和意义 3
1.3.1 本论文的研究内容 3
1.3.2 本论文的研究意义 3
1.3.3 本论文的研究创新点 4
第二章 理论基础和计算方法 5
2.1 量子化学的发展 5
2.2绝热近似(BornOppenheimer近似) 5
2.3密度泛函理论(DFT) 6
2.3.1 ThomasFermi模型 7
2.3.2 HohenbergKhon定理 8
2.3.3 KohnSham方程 9
2.4 局域密度近似泛 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
函(LDA) 10
2.5 Gaussian计算软件 11
第三章 Hn@C30的结构与稳定性的密度泛函理论研究 12
3.1 引言 12
3.2 计算方法 13
3.3 计算结果与讨论 14
3.3.1 Hn@C30的基态结构 15
3.3.2 Hn@C30的结构稳定性 16
3.3.3 Hn@C30的自然键轨道(NBO)分析 18
3.3.3.1 C30的自然键轨道(NBO)分析 19
3.3.3.2 C30H4的自然键轨道(NBO)分析 20
3.3.3.3 C30H6的自然键轨道(NBO)分析 21
3.3.3.4 C30H8的自然键轨道(NBO)分析 22
3.3.3.5 C30H12的自然键轨道(NBO)分析 22
3.3.4 Hn@C30的振动光谱分析 23
3.3.5 Hn@C30的磁矩分析 24
3.3.6 Hn@C30的极化率分析 25
3.3.7 Hn@C30的NICS分析 26
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
第一章 绪论
1.1 团簇物理简介
1.1.1 团簇的基本概念
团簇(clusters)是由几个甚至成百上千个因子（包括原子、分子或离子）在物理或者化学结合力作用下组成的相对比较稳定的微观态聚集体，团簇的物化性质随着其所含原子数目的变化而变化。由于团簇的尺度与纳米材料相仿，可作为纳米材料的材料尺度。
团簇的尺度范围在几埃至几百埃，因此比起小块固体要小得多，比起无机分子又显得太大。团簇的许多性质既不可简单地用单个原子分子比对，又不能像描述固体和液体的性质一样描述，也不能将两者的性质进行简单组合或者延伸得到；因此，团簇可以看成是介于原子、分子与宏观固体物质之间的物质结构的新层次，是各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡状态——“第五态”，或者说，代表了凝聚态物质的初始状态[1]。
1.1.2 团簇研究的主要内容
团簇研究的主要内容是研究团簇由原子、分子逐步演化而成的过程和规律；研究团簇的物化性质随着演化过程的发生会产生怎样的变化；以及团簇能过渡成宏观固体的临界条件[2]。
目前团簇科学的主要研究方向是：研究团簇的组成及电子构型的规律、幻数、几何结构和稳定性的规律；研究团簇的形成过程及机制；研究团簇的制备方法；探索新的理论，用以解释现有团簇的反应效应和反应现象，以及预知新生团簇的结构；研究团簇的动力学性质，用以指导相关模拟实验。
1.1.3 团簇研究的意义
团簇在自然界是广泛存在的，它在人类社会实践中也有广泛的应用。由于团簇涉及到了物质的运动，以及近纳米尺寸的缘故，使得它在物理学和化学两大学科上都有广泛的应用。团簇是由有限的分子、原子或者离子构成的集合，可用团簇模拟多体问题的模型，这样就可以促进使用量子和经典理论对多体问题的研究。
在高科技领域的应用研究中，由于团簇的微观结构和物理化学性质具有特殊性和多样性，这就为研发具有特殊性能的新材料提供了基础。例如，可以利用具有纳米尺寸并且具有特殊的光学性质的团簇制备半导体器件来研究光物理科学；利用有超导电性的团簇制备超导材料等。只要我们对团簇多加研究实验，一定可以找到团簇的更多的实用性价值，并应用于社会实践中，为人类做出更大的贡献。
1.2 小富勒烯研究进展
富勒烯是继石墨、金刚石之后，人们发现的碳元素存在的第三种晶体形态，它是由12个五元环和若干个六元环组成的中空笼状结构；由于五元环的相互作用力表现为张力,六元环的相互作用力表现为非张力,因此,根据富勒烯遵循的五元环分离规则(isolatedpentagon rule,即IPR)，决定了它的结构与稳定性。如果在富勒烯的球面上的五元环中有2个或者更多数量是相邻分布的,根据五元环分离规则，整个富勒烯就会因为局部张力较大而整体表现为张力较大，从而显得十分不稳定,在化学性质上就表现得比较活泼；因此,可以推测，对于碳笼(富勒烯)来说,几何结构最稳定且化学性质最稳定的一定是相邻五元环数量最少的[3]。
在种类繁多的富勒烯族中，人们对C60的研究最为深入，因为它不存在张力大的55键，是稳定性最高的一种富勒烯。然而对于别的一些小富勒烯C2n(n <30)来说，结构中存在相邻的五元环，即55键，因此存在着较大的张力,一般来说都具有着较高的化学活性,在合成和分离上比较难以完成。目前科学家们研究的小富勒烯主要有C20,C24,C28,C32,C36,C40,C44,C50和C2n(n=26～29)及其衍生物。
1.3 本论文研究内容和意义
1.3.1 本论文的研究内容
1. 利用Gaussian09软件构建并优化在C30纳米管上加氢气的初始构型，用计算机计算优化得到Hn@C30的稳定构型，并确定其基态构型。
目录
第一章 绪论 1
1.1 团簇物理简介 1
1.1.1 团簇的基本概念 1
1.1.2 团簇研究的主要内容 1
1.1.3 团簇研究的意义 2
1.2 小富勒烯的研究进展 2
1.3 本论文研究内容和意义 3
1.3.1 本论文的研究内容 3
1.3.2 本论文的研究意义 3
1.3.3 本论文的研究创新点 4
第二章 理论基础和计算方法 5
2.1 量子化学的发展 5
2.2绝热近似(BornOppenheimer近似) 5
2.3密度泛函理论(DFT) 6
2.3.1 ThomasFermi模型 7
2.3.2 HohenbergKhon定理 8
2.3.3 KohnSham方程 9
2.4 局域密度近似泛 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
函(LDA) 10
2.5 Gaussian计算软件 11
第三章 Hn@C30的结构与稳定性的密度泛函理论研究 12
3.1 引言 12
3.2 计算方法 13
3.3 计算结果与讨论 14
3.3.1 Hn@C30的基态结构 15
3.3.2 Hn@C30的结构稳定性 16
3.3.3 Hn@C30的自然键轨道(NBO)分析 18
3.3.3.1 C30的自然键轨道(NBO)分析 19
3.3.3.2 C30H4的自然键轨道(NBO)分析 20
3.3.3.3 C30H6的自然键轨道(NBO)分析 21
3.3.3.4 C30H8的自然键轨道(NBO)分析 22
3.3.3.5 C30H12的自然键轨道(NBO)分析 22
3.3.4 Hn@C30的振动光谱分析 23
3.3.5 Hn@C30的磁矩分析 24
3.3.6 Hn@C30的极化率分析 25
3.3.7 Hn@C30的NICS分析 26
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
第一章 绪论
1.1 团簇物理简介
1.1.1 团簇的基本概念
团簇(clusters)是由几个甚至成百上千个因子（包括原子、分子或离子）在物理或者化学结合力作用下组成的相对比较稳定的微观态聚集体，团簇的物化性质随着其所含原子数目的变化而变化。由于团簇的尺度与纳米材料相仿，可作为纳米材料的材料尺度。
团簇的尺度范围在几埃至几百埃，因此比起小块固体要小得多，比起无机分子又显得太大。团簇的许多性质既不可简单地用单个原子分子比对，又不能像描述固体和液体的性质一样描述，也不能将两者的性质进行简单组合或者延伸得到；因此，团簇可以看成是介于原子、分子与宏观固体物质之间的物质结构的新层次，是各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡状态——“第五态”，或者说，代表了凝聚态物质的初始状态[1]。
1.1.2 团簇研究的主要内容
团簇研究的主要内容是研究团簇由原子、分子逐步演化而成的过程和规律；研究团簇的物化性质随着演化过程的发生会产生怎样的变化；以及团簇能过渡成宏观固体的临界条件[2]。
目前团簇科学的主要研究方向是：研究团簇的组成及电子构型的规律、幻数、几何结构和稳定性的规律；研究团簇的形成过程及机制；研究团簇的制备方法；探索新的理论，用以解释现有团簇的反应效应和反应现象，以及预知新生团簇的结构；研究团簇的动力学性质，用以指导相关模拟实验。
1.1.3 团簇研究的意义
团簇在自然界是广泛存在的，它在人类社会实践中也有广泛的应用。由于团簇涉及到了物质的运动，以及近纳米尺寸的缘故，使得它在物理学和化学两大学科上都有广泛的应用。团簇是由有限的分子、原子或者离子构成的集合，可用团簇模拟多体问题的模型，这样就可以促进使用量子和经典理论对多体问题的研究。
在高科技领域的应用研究中，由于团簇的微观结构和物理化学性质具有特殊性和多样性，这就为研发具有特殊性能的新材料提供了基础。例如，可以利用具有纳米尺寸并且具有特殊的光学性质的团簇制备半导体器件来研究光物理科学；利用有超导电性的团簇制备超导材料等。只要我们对团簇多加研究实验，一定可以找到团簇的更多的实用性价值，并应用于社会实践中，为人类做出更大的贡献。
1.2 小富勒烯研究进展
富勒烯是继石墨、金刚石之后，人们发现的碳元素存在的第三种晶体形态，它是由12个五元环和若干个六元环组成的中空笼状结构；由于五元环的相互作用力表现为张力,六元环的相互作用力表现为非张力,因此,根据富勒烯遵循的五元环分离规则(isolatedpentagon rule,即IPR)，决定了它的结构与稳定性。如果在富勒烯的球面上的五元环中有2个或者更多数量是相邻分布的,根据五元环分离规则，整个富勒烯就会因为局部张力较大而整体表现为张力较大，从而显得十分不稳定,在化学性质上就表现得比较活泼；因此,可以推测，对于碳笼(富勒烯)来说,几何结构最稳定且化学性质最稳定的一定是相邻五元环数量最少的[3]。
在种类繁多的富勒烯族中，人们对C60的研究最为深入，因为它不存在张力大的55键，是稳定性最高的一种富勒烯。然而对于别的一些小富勒烯C2n(n <30)来说，结构中存在相邻的五元环，即55键，因此存在着较大的张力,一般来说都具有着较高的化学活性,在合成和分离上比较难以完成。目前科学家们研究的小富勒烯主要有C20,C24,C28,C32,C36,C40,C44,C50和C2n(n=26～29)及其衍生物。
1.3 本论文研究内容和意义
1.3.1 本论文的研究内容
1. 利用Gaussian09软件构建并优化在C30纳米管上加氢气的初始构型，用计算机计算优化得到Hn@C30的稳定构型，并确定其基态构型。
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