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新材料"基因组"实验室
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本实验室以微观分子理论为出发点,以解决新材料开发过程中实际问题为科学目标,发展完善精确而有效的复杂分子体系量子动力学等理论方法,结合仿真设计与实验测试验证,建立材料体系微观基本结构(即DNA)及动态过程理论模型,研究决定材料体系结构、性质、功能和工作机理的分子理论基础。结合北大新材料学院的新能源战略,从分子水平设计、寻找、开发新能源材料,从而缩短新材料研制周期,实现材料的低成本可控制备。

 

实验室主要研究方向:

(1)复杂体系量子力学理论、统计力学方法以及多重尺度算法
从分子理论模型设计开发新材料是材料科学的最高境界。实验室致力于发展完善复杂分子体系量子动力学理论,结合第一性原理电子结构计算、统计力学和应用数学方法,建立材料体系多重尺度的关联,精确有效地描述大尺度真实材料体系的实时动态过程。与实验紧密结合,发展从微观动力学过程到宏观材料性能的新材料预测模型和计算方法。
(2)表面、界面非平衡态分子动力学
真实材料体系的动力学过程绝大多数处于非平衡态,并且与表面界面性质密切相关。复杂体系、表面界面与非平衡态是当今动力学理论公认的难题和热点。因此实验室重点研究材料体系表面、界面非平衡态分子动力学过程(比如能量耗散过程)和反应机理,以及表面形貌、缺陷对动力学的影响,为选用新材料、改进材料性能和制备工艺提供指导信息,提高电池安全性、电池效率、寿命、以及快充能力。
(3) 材料体系核-电子耦合量子理论
原子核与电子的耦合相互作用在材料体系中非常重要,比如材料的超导电性与电子-声子(晶格振动)相互作用密切相关。实验室通过发展非绝热(即多个势能面之间的耦合)量子动力学理论,研究材料体系电子结构与原子核耦合运动的演化规律,即电荷/载流子/激子输运动力学中的量子效应和相干性,寻找提高太阳能电池光电转化效率、功率密度、改善结构性能以及降低成本的有效途径,并探索二维原子晶体生长动力学与可控制备以及超导电性等新奇特性。同时研究超短氢键对光电功能材料结构、物理性质、以及性能的影响,设计开发基于超短氢键的新型光电材料。

量子理论方法:

    复杂分子体系量子动力学方法的开发将基于量子力学的半经典初值表示方法并将结合统计力学中过渡态路径取样的方法以及对相空间拓扑结构的分析,从深刻理解物理图象的角度优化量子动力学计算。 

 非平衡态动力学:

 


 

核-电子耦合量子理论:

电子态非绝热动力学:在很多光化学过程中,比如光解反应,价电子转移,有机电环化反应,纳米结构半导体光致电子输运以及光合作用中光催化等等,波恩-奥本海默近似不再成立而在不同势能面之间发生非绝热跃迁。电子态非绝热过程的本质在于原子核和电子的耦合相互作用,其动力学过程对研究化学反应的性质比如反应速率、分支反应比率、催化机制等等至关重要。如何研究电子态非绝热动力学过程是理论化学最前沿的课题。我们将基于Meyer‐Miller‐Stock‐Thoss (MMST)理论以及半经典动力学理论,以太阳能电池、锂离子动力电池、以及二维原子晶体为主要应用对象,进一步发展复杂分子体系非绝热动力学理论。


 

研究流程图:


 

 研究内容框图:

 

联系人:陶国华 副教授
Email: taogh@pkusz.edu.cn