系列新型防晒分子非绝热动力学的理论与实验研究

Sunscreen molecules play very important roles in maintaining the skin health of mankind and normal photosynthesis of plant. Excited-state property and its nonadiabatic dynamics are the key issue in chemical sunscreen. However, less study on the microscopic dynamics, structure-function relationship, and regulation mechanism in sunscreen are systematically and deeply carried out. This project is aimed at investigating the nonadiabatic dynamics of the target sunscreen molecules by use of ultrafast spectroscopy combined with theoretic calculation method including the calculation of static electronic structure and the dynamic simulation of nonadiabatic process based on surface hopping approach. By comparing the spectral property, kinetic traces, potential energy surfaces in excited state and the location of conical intersection, the structure effect, hydrogen effect and solvent effect on excited-sate dynamics are unrevealed. Moreover, according to the microscopic mechanism of nonadiabatic dynamics in modulating the performance of sunscreen, and the regularity of structure affecting nonadiabatic dynamics, we can build the relationship between microscopic process and macroscopic function. This project will improve the recognition level on photophysical and photochemical properties involved in the sun protection mechanism. It is helpful to provide guidelines to designing novel high-performance sunscreens.

防晒分子在维持人类皮肤健康和植物光合作用等多方面发挥着极其重要的作用。化学防晒的核心问题是激发态性质及其非绝热动力学弛豫行为，然而人们对于防晒过程中涉及的微观动力学行为、“构效”关系、及其调控机制仍缺乏系统和深入的研究。本项目旨在通过超快光谱实验结合理论计算方法（静态电子结构计算与surface hopping非绝热动力学模拟）,重点开展所选系列新型防晒分子体系激发态的非绝热动力学研究。通过对光谱性质、动力学信息、激发态势能面、以及锥形交叉点等方面的比较，探究结构效应、氢键效应和溶剂效应对这些防晒分子激发态性质的影响，揭示分子结构影响激发态非绝热动力学的规律性，阐明防晒分子非绝热动力学行为调控防晒性能的微观机理，建立微观过程行为与宏观性质之间的对应关系。本项目将提升人们对防晒机制中所涉及光物理、光化学性质的认识，有助于帮助指导新型高效防晒分子的设计与研发。

防晒分子在维持人类皮肤健康和植物光合作用等多方面发挥着极其重要的作用。化学防晒的核心问题是激发态性质及其非绝热动力学弛豫行为，目前人们缺乏对防晒过程中涉及的微观动中力学行为、构效关系、及其调控机制的研究。因而需要研究激发态非绝热动力学机理，解释清楚由光激发防晒分子引起的相应光化学现象。本项目采用稳态光谱、时间分辨光谱实验和激发态量子化学计算紧密结合的技术手段，针对几类新型的有机、无机体系的电子激发态结构及动力学开展实验和理论研究。主要包括含防晒霜体系的激发态非绝热动力学、激发态动力学以及相关机制研究、特异性探针检测机制等多个重要方向开展了研究工作，取得了多项创新性成果。通过对光谱性质、动力学信息、激发态势能面、以及锥形交叉点等方面的比较，探究结构效应、氢键效应和溶剂效应对这些分子激发态性质的影响，揭示分子结构影响激发态非绝热动力学的规律性，阐明防晒分子非绝热动力学行为调控防晒性能的微观机理，建立微观过程行为与宏观性质之间的对应关系。项目完成了预定目标，取得一系列创新性成果，申请人自2019年以来已发表学术论文30篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Chem. Eng. J.、J. Phys. Chem. Lett.、 Sensor. Actuat. B-Chem.、Chin. Chem. Lett.、J. Lumin.、Colloid. Surface. B.、J. Chem. Phys. B、J. Mol. Liq.等刊物论文，申请发明专利7项，培养研究生7人。同时又被世界科学出版社邀请主编了英文专著《Hydrogen Bonding Research in Photochemistry, Photobiology, and Optoelectronic Materials》。此外，2020、2021年连续两次入选爱思唯尔“中国高被引学者“榜单，该项目已完成预期目标。通过多项创新性成果，认识了非绝热动力学在电子激发态的结构信息和规律，并且阐明了激发态动力学过程对分子体系激发态电子转移、能量传递和化学转换等光化学过程的影响，进一步揭示其激发态动力学过程的本质和作用机理并用于解释相应的光谱现象。该项目对于深入理解光化学、光生物学和光电材料中的激发态结构和性能具有重要理论价值。