中國科大在分子表面散射過程的振動傳能動力學研究方面取得重要進展

NO分子從金屬和絕緣體表面散射過程的振動傳能動力學是研究這一問題的典型體系之一,其中金屬和絕緣體表面的振動傳能有著顯著的差异。實驗中觀察到NO分子從Au表面散射會發生振動態多量子弛豫過程,相同條件下在LiF表面散射卻只有微弱的振動弛豫發生。

近期,中國科學技術大學蔣彬教授課題組在NO分子從固體表面散射過程的振動傳能動力學研究方面取得一系列重要進展,最新成果以“Mechanical vibrational relaxation of NO scattering from metal and insulator surfaces: When and why they are different”為題發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。

氣體分子與表面自由度之間的能量交換從根本上决定了氣-固介面的各種物理化學現象。在表面化學反應中,振動座標與化學鍵的形成和斷裂有著內在的聯系,囙此對於振動傳能過程的研究顯得尤為重要。NO分子從金屬和絕緣體表面散射過程的振動傳能動力學是研究這一問題的典型體系之一,其中金屬和絕緣體表面的振動傳能有著顯著的差异。實驗中觀察到NO分子從Au(111)表面散射會發生振動態多量子弛豫過程,相同條件下在LiF(001)表面散射卻只有微弱的振動弛豫發生。長期以來,人們認為分子與表面聲子之間的能量轉移非常低效,囙此將這種差异歸因於由於金屬向分子電子轉移產生的非絕熱效應導致的,但理論與實驗的許多動力學數據存在明顯不符。

由於散射過程中涉及到分子與表面聲子與電子之間大量自由度之間的能量交換,囙此開展第一性原理的分子動力學理論研究面臨很大的挑戰。蔣彬教授課題組長期聚焦於在機器學習勢能面和表面反應動力學方向,前期自主編寫了原子神經網路方法的計算程式(J. Phys. Chem. Lett.,2019,10,1185),並進一步發展了高效且精確地嵌入原子神經網路方法(J. Phys. Chem. Lett. 2019,10,4962),能够利用少量第一性原理數據精確構造分子與表面散射的多元反應勢能面,可比從頭算分子動力學類比快~五個量級以上,部分體系可比其他流行的機器學習力場方法快~10

(Phys. Chem. Chem. Phys.,2021,23,1815,封面論文)。研究團隊利用原子神經網路方法構造了NO/Au(111)體系首個完全基於第一性原理數據點的全域高精度的高維勢能面(J. Phys. Chem. Lett. 2019,10,5969),發現NO分子的絕熱通道振動能損失比之前的理論結果有非常大的增强,產生多個振動量子數的弛豫。進一步通過在NO/LiF(001)和NO/Au(111)體系全維勢能面上的絕熱動力學類比,他們發現高振動激發的NO分子在Au(111)表面上可以到達解離的過渡態區域,分子振動會被明顯“軟化”,從而使得振動能量可以在很大程度上能够轉移到平動或轉動自由度,進而耗散到表面聲子中(圖1)。對於純排斥的NO/LiF(001)勢能面上這種能量傳遞的通道是禁阻的,此時分子的振動自由度幾乎不與其他自由度產生耦合(圖2)。該研究結果不僅能够很好地解釋NO分子在Au(111)和LiF(001)表面散射的實驗結果,更是揭示了勢能面形貌和分子初始狀態對於氣體-表面體系散射過程的振動能量傳遞過程有著重要的影響,這一系列的發現對於理解氣體-表面體系的能量傳遞過程有著重要的意義。

圖一高振動態的NO分子從Au(111)和LiF(001)表面散射的末態振動態分佈。

圖二高振動態NO分子從LiF(001)和Au(111)表面散射的一條代表性軌線的表面動能,NO分子動能、鍵長以及質心距離表面高度隨時間的演化曲線。

此外,研究團隊利用新發展的嵌入原子神經網路電子摩擦張量表達,與英國合作者將首次實現完全從第一性原理出發對分子與金屬表面碰撞時絕熱和非絕熱能量轉移通道的同時描述。在考慮了基於電子摩擦的非絕熱效應後,實驗與理論在高振動態NO在Au(111)面散射過程中的振動弛豫、振動弛豫隨平動能的依賴關係等結果上基本達到了定量的一致性,大大超出了以往人們認為電子摩擦理論在這類“强耦合”體系的表現。該工作為定量化分子-金屬表面散射過程中電子激發引起的非絕熱能量效應以及電子摩擦模型的適用範圍提供了標準的範例(JACS Au,2021,1,164)。

殷蓉蓉為該論文的第一作者,蔣彬教授為通訊作者。該工作得到了國家重點研發計畫、國家自然科學基金委、安徽量子資訊計畫的資助。

相關論文連結:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.156101

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacsau.0c00066

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.9b01806

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.9b02037

https://pubs.rsc.org/fa/content/articlehtml/2021/cp/d0cp05089j

資料標籤: 動力學 科學 科普
本文標題: 中國科大在分子表面散射過程的振動傳能動力學研究方面取得重要進展
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656064537715917
相关資料
蘇州納米所張珽研究團隊ACS,Nano,Review,面向智慧仿生感知系統的柔性人工突觸器件
人工智慧科技的發展為智慧仿生感知系統的發展帶來了革命性變化,同時也對器件和系統的高效資訊處理能力以及舒適性、相容性等提出了迫切的要求。柔性人工突觸器件作為系統中的關鍵器件,由於其特殊的處理器/記憶體配寘結構,以及高效率並行處理大量非標準化數
標籤: 突觸傳遞 人工智慧 科普
中科院分子植物科學卓越創新中心楊琛研究組發現致病分枝杆菌脂肪酸代謝的調控機制
致病性分枝杆菌嚴重危害人類的健康,例如結核分枝杆菌感染所引起的結核病造成每年超過一百萬人死亡。然而,分枝杆菌如何調控其脂肪酸代謝及其對致病性的影響仍不清楚。
標籤: 脂肪酸 分枝杆菌 科普
破紀錄15.83米!海洋所自主研發深海裝備成果轉化結碩果
近日,中國科學院海洋研究所閻軍研究團隊開創性研發且獨有的“中科海開拓”系列深水視覺化可控沉積物柱狀取樣系統完成裝備成果轉化,正式入列中國地質調查局青島海洋地質研究所“海洋地質九號”地球物理勘探船。
標籤:
復旦遺傳工程國家重點實驗室嚴冬團隊揭示Hakai在RNA,m6A修飾通路中的作用
m6A甲基轉移酶複合物由進化中保守的7個成員構成,包括催化組分Mettl3,以及Mettl14,WTAP,VIRMA,RBM15,ZC3H13和Hakai,其中Hakai作為一個潜在的RINGfingerE3泛素連接酶是研究最少的。本文是作
標籤: