發展理論化學方法,實現分子熒光效率定量預測
2007-11-14 來源：中國聚合物網
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理論預測分子的熒光效率對于設計有機發光材料、分子開關和生物檢測分子等有重要意義。分子的發光效率由激發態的輻射與無輻射衰變過程競爭決定。輻射過程可以通過著名的愛因斯坦自發輻射與受激輻射關系確定，但無輻射過程一直是理論化學的難點，也是預測有機發光材料效率的關鍵因素。傳統的理論一般都假定激發態和基態具有相同的拋物面，但這種假定對于許多分子體系，特別是對于柔性的有機發光分子會帶來2到3數量級的誤差，無法定量預測發光效率，同時也無法解釋熒光效率與溫度的依賴關系。
在科技部973計劃、基金委和科學院的大力支持下，化學所有機固體院重點實驗室帥志剛研究員發展了任意多振動模杜辛斯基轉動混合的無輻射躍遷理論，考慮了激發態與基態勢能面的不同特征，得到一個完全解析的、全新的無輻射躍遷公式，并在時間相關的密度泛函理論框架中實現了基于第一性原理的數值計算(J. Chem. Phys. 2007, 126, 114302)，即不依賴于任何參數，只需要分子的化學結構就可以得到熒光效率。然后，他們在愛因斯坦自發輻射理論的基礎上，考慮了振動能級分布，實現了輻射躍遷率的數值計算，與先前得到的無輻射躍遷理論相結合，實現了可定量預測分子熒光效率的理論。該結果發表在J. Am. Chem. Soc.（2007, 129, 9333-9339）上。理論成功地解釋了tetraphenyl-butadiene兩個異構體具有截然不同的熒光性質，揭示了其中一種異構體表現出聚集誘導熒光的本質，并定量地預測了輻射和無輻射躍遷速率以及與溫度的依賴關系。作為一個獨立的檢驗，他們將該理論應用到在超快光譜實驗中廣泛研究的diphenyl-butadiene三個異構體，發現理論計算得到的激發態輻射和無輻射速率與實驗上可測量的trans-trans異構體的數據吻合，由于實驗很難測量弱熒光的cis-trans和cis-cis異構體的速率常數，但通過理論計算，則可以得到相關的數據，通過計算得到的各種量子效率與實驗高度一致。
該理論方法的建立對于設計高效有機發光材料具有重要意義。論文發表后，立即得到美國化學會主頁，2007年8月27日)在“Heart Cut Paper”周欄中介紹，評論指出，“盡管輻射過程可以通過譜學手段進行研究，但無輻射過程則難以跟蹤，因此難以理解。研究者建立了處理無輻射過程的第一性原理理論形式，可以預測大分子的熒光過程，不僅給出了與已知實驗一致的結果，還定量地預測了實驗難以得到的光物理參數。”
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（責任編輯：曉靖）
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