星际分子启发下含C、N分子体系的光谱性质和反应机理研究

Theoretical study on the molecular spectral properties and reaction mechanisms is one of the fundamental topics in the field of atomic and molecular physics, which has important applications in experimental physics, astrophysics, interstellar chemistry, catalytic chemistry, and other scientific researches. In this project, inspired by interstellar molecules, the C and N-containing molecular systems existing and potential in interstellar space, such as the accurate electronic structures, potential energy curves and spectral properties of small molecule cyanide in ground/excited states, as well the reaction mechanisms of amine molecule systems in the processes of isomerization, dissociation and catalysis, which are studied by high precision quantum mechanics method. The stable structures of these molecular systems are obtained, and the potential energy curves (surfaces) of various reactions are constructed; the precise spectral parameters of small molecule cyanide are fitted, and the spectral lines that have not been calibrated in the experiments are analyzed and identified; the various micro-reaction mechanisms of amine molecular systems are described, the optimal reaction paths are found, the specific forms of active catalysts are obtained, the reaction decisive steps and the factors affecting the reaction rate are given. The results of this project will provide more useful theoretical basis for further comprehend the origin of interstellar molecules, searching for new interstellar molecules, understanding the reaction dynamics of these molecules, as well the design of transition metal catalysts and the synthesis of amines.

分子光谱性质和反应机理的理论研究是原子分子物理领域的基本课题之一，在实验物理、天体物理、星际化学、催化化学等科学研究中有重要应用。在星际分子启发下，本项目拟采用高精度量子力学计算方法研究星际空间中存在和潜在的含C、N分子体系如小分子氰化物基态/激发态精确的电子结构、势能曲线和光谱性质以及胺分子体系在异构、解离和催化过程中的反应机理。获得这些分子体系的稳定结构，构建各种反应的势能曲线（面）；拟合出小分子氰化物精确的光谱参数，分析和指认实验尚未标定的谱线；阐述胺分子体系的各种微观反应机理，找到最优的反应路径，获得活性催化剂的具体形式，给出反应决速步和影响反应速率的因素。该项目的研究成果为深入认识星际分子的成因和寻找新的星际分子、理解这些分子的反应动力学行为以及为过渡金属催化剂的设计和胺的合成提供更多有用的理论依据。

分子光谱性质和反应机理的研究，在实验物理、天体物理、星际化学及生物化学等科学研究中有重要应用。本项目主要研究了星际小分子氰化物和胺分子体系的稳定性，小分子基态/激发态的解离反应势能面/曲线和光谱性质，胺分子体系化学反应网络，以及相关的光谱实验。通过量子化学计算方法研究了相关分子的结构稳定性和物理化学性质：分析讨论了星际分子CH3CN在不同对称性下的几何结构和稳定性；构建了H2CS的反应势能面；针对AsO考虑SOC和CV效应获得其低激发态势能曲线，拟合出光谱参数；研究了基态α-环己二酮的解离路径，分析了最优解离路径中环状异构体的红外光谱；提出了一个全面的甘氨腈（HOCH2CN）化学网络，以研究其在一系列天体物理环境（环境云、自由落体坍塌云、冷包络层等与IRAS16293−2422B的形成和演化）中的化学性质；构建了NH2OH及其相关的化学网络，使用天体化学代码Nautilus模拟其化学等温模型和冲击模型。通过激光脉冲实验研究了大气环境中平行板约束对激光诱导PMMA等离子体中CN分子光谱的影响；利用圆柱形腔体研究了空间约束对纳秒激光激发击穿光谱线发射的影响。此外，通过实验研究了含碳酸钙胆结石中微量Mn2+与多晶型方解石的相关性，探索胆结石的形成机制，以及Ni-Zr-B4C体系在自蔓延高温合成过程中ZrB2和ZrC的形成机理。. 星际分子的发现有助于帮助人类了解星云及恒星的演变过程。通过量子化学计算获得分子结构的相对稳定性，构建它们的异构化及与原子/小分子反应的势能面，分析其微观反应机制，模拟星际分子形成的主要反应网络和有利的物理条件，对实验尚未标定的谱线进行精确标定，分析有关星际分子的来源，对实验的质谱结果进行解释。为深入认识星际分子的成因和寻找新的星际分子，以及理解这些分子及其离子的反应动力学行为提供更多有用的理论支持；并且可以为后期相关研究提供理论/实验依据及参考。