电子包合水合物冰晶材料磁性及调控理论研究

In view of the continuingly increasing promising application prospects of molecular clathrate hydrates in energy, environment, and even materials, explortion of the structures and properties of the icy and function-directed asseblies of clathrate hydrates have become a hot topic in the fields. In particular, their intriguing poly-cage framework icy structures assign them excellent characters and performance as a novel type of caierrs and media. Based on various experimental informations of clathrate hydrates, we use theoretical and computational methods and molecular simulation technique to to explore the structures and spintronics properties of electron clathrate hydrates. On the basis of characterizing their stability, the project focuses on the study of electron distribution and spin coupling & magnetic interaction, and explores the effects of ploy-cage stacking structures and co-trapped guest species on the spin magnetic couplings. Further, the project to explore the modulation mechanisms of the extenal energy fields on the clathrate hydrate properties. Using molecular vibrational scheme and molecular dynamics simulation technique, we explore the dynamic regularity. Meanswhile, we want to develop the suitable calculational and simulation methods about the electron states and spin couplings. This project is closely associaed with the multi-cross subjects including clathrate hydrates, solvated electrons, and spintronics and magnetic couplings, etc., and thus not only has the fundamental academic interest but also has important application value for exploring and designing novel magnetic icy materials and spintronics devices with tunable magnetic characteristics.

鉴于分子包合水合物在能源环境乃至材料方面逐步展现的诱人应用前景，其冰晶及目标导向的堆叠组合体的结构及性质研究已成为诸领域的热点课题。特别是其独特的多笼框架冰晶结构，赋予了其作为一类新颖载体和介质的优良属性和特征。基于各种有关包合水合物的实验信息，本项目拟以磁性包合物为对象，通过建模各类多水合笼结构，利用理论计算与模拟方法研究电子包合物的结构及自旋电子学性质。在表征其稳定性的基础上，重点研究包合电子的状态分布及自旋磁耦合作用，探讨水合笼堆叠结构及共包合客体组份对自旋磁耦合的影响；开发外界能量场（光热电场等）对电子包合物功能性质的调控机制。利用分子振动及分子动力学模拟方案开发磁耦合的动态规律。发展适合的有关特殊溶剂化电子的状态及自旋耦合的计算模拟方法。此项目涉及包合水合物、溶剂化电子、自旋磁耦合等多学科交叉，项目的开展不仅具有重要的学术意义，对开发设计新型磁性冰晶材料及器件具有重要应用价值。

分子包合水合物在能源环境乃至材料方面逐步展现出诱人的应用前景，其目标导向的堆叠组合体的结构及性质研究已成为诸领域的热点课题。特别是其独特的多笼框架结构，赋予了其作为一类新颖载体和介质的优良属性。基于各种包合物的实验信息，本项目以磁性包合物为对象，围绕着项目拟定研究内容、目标以及关键基本科学问题，通过结构建模，利用理论计算与模拟方法研究了电子包合物的结构及自旋电子学性质，特别是弱束缚电子分布、自由基及高自旋体系结构特征及自旋磁耦合性质，探讨了堆叠结构及共包合客体对自旋磁耦合的影响以及外界能量场对电子包合物功能性质的调控机制。结合动力学模拟方案开发了磁耦合动态规律，并发展适用的计算模拟方法。其主要创新性成果包括：澄清了包合物的磁耦合特性以及共包合客体及笼缺陷、笼掺杂等对磁耦合的调控机制，特别是离子包合物笼体OH-快速迁移机制以及对磁耦合的增强机制，发现了迁移H的共价氢键特征；阐明了包合水合物中弱束缚电子结构，精确表征了其跃迁光谱和反应性；提出了类包合物电子化物电子性质的调控方案及功函计算新方法；发现了溶剂化双电子的结构、动态自旋磁耦合规律以及与微环境介质的依赖关系，模拟澄清了化学反应性及析氢机制；提出了包合物溶剂化电子增强核自旋耦合新机制；发展提出了计算模拟增强取样研究动态自旋磁耦合、化学反应性、光谱统计表征新方案。项目达到了预期的研究目标。此项目涉及包合水合物、溶剂化电子、自旋磁耦合等多学科交叉，所取得的成果可为深入认识冰晶材料及非传统介质中特殊弱束缚电子的状态、自旋耦合作用特征和相关的电子结合体系的功能性质提供有益了信息。不仅具有重要的学术意义，也为揭示设计磁耦合可调特性的新型磁性冰晶材料及其他自旋电子学相关的功能材料提供了理论支撑，同时为其他相关领域弱束缚电子动力学规律、作用机制、自旋电子学特征及反应性也提供了具有参考价值的信息。