Dynamics, Control and Energy Transfer at Terahertz Frequencies.

太赫兹频率下的动力学、控制和能量传输。

基本信息

  • 批准号:
    EP/P007449/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 130.64万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Fellowship
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2017 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Chemical and biological reactions are governed by the coupling of ultrafast chemical events to dynamics on much slower timescales. These ultrafast chemical events often occur at THz frequencies and there is a range of indirect experimental and theoretical evidence to suggest that the coupling of vibrational motion at these frequencies governs the dynamics of a range of reactions across chemistry and biology. In this proposal, enabled by recent technological developments, I will develop a THz multidimensional spectrometer that will be able to measure directly the coupling between these modes on an ultrafast timescale. This will enable me to measure energy transfer between THz frequency modes and the timescales involved therein. Once demonstrated this will be a new, powerful analytical technique with many possible applications. Initial measurements will be performed on two very different material types, the first being energetic materials, and the second, materials that show a dramatic structural change upon illumination by light (a photo-induced phase transition or PIPT). In both materials there is strong indirect experimental and theoretical evidence that the coupling between THz frequency vibrations governs the reaction pathways in these materials. THz multidimensional spectroscopic measurements of these materials will provide the first direct experimental evidence that the coupling between these THz vibrations directly governs the pathway, and dynamics, of a reaction. Once this has been demonstrated, in these two diverse sets of materials, this new analytical technique can be applied to many chemical or biological questions, providing an understanding of reaction dynamics on ultrafast timescales - essentially enabling us to watch chemistry happen. This underlying understanding of reactions dynamics will also underpin the future rational design of materials with tailored physical and chemical properties. Following on from measuring the coupling between THz modes using THz multidimensional spectroscopy, specifically designed intense THz pulses will then be used to interact directly with this vibrational motion, essentially controlling and steering the chemical dynamics. This control, coupled with the understanding of reaction dynamics and the associated timescales provided directly by THz multidimensional spectroscopy, leads to a method where reactions can be steered and controlled - with huge potential applications. This fellowship will concentrate on three possible applications for THz-driven dynamics, namely (a) the control of enzymatic reactions, (b) the control of solid state phase transformations (concentrating of pharmaceutically relevant polymorphs) and (c) the control of catalytic reactions.
化学和生物反应是由超快化学事件与慢得多的时间尺度上的动力学耦合控制的。这些超快化学事件通常发生在太赫兹频率,并且有一系列间接实验和理论证据表明这些频率下振动运动的耦合控制着化学和生物学中一系列反应的动力学。在这项提案中,在最新技术发展的推动下,我将开发一种太赫兹多维光谱仪,它将能够在超快时间尺度上直接测量这些模式之间的耦合。这将使我能够测量太赫兹频率模式和其中涉及的时间尺度之间的能量传递。一旦得到证实,这将是一种新的、强大的分析技术,具有许多可能的应用。初始测量将在两种截然不同的材料类型上进行,第一种是高能材料,第二种是在光照射下表现出巨大结构变化的材料(光诱导相变或 PIPT)。在这两种材料中,都有强有力的间接实验和理论证据表明太赫兹频率振动之间的耦合控制着这些材料中的反应途径。这些材料的太赫兹多维光谱测量将提供第一个直接的实验证据,证明这些太赫兹振动之间的耦合直接控制反应的路径和动力学。一旦这一点得到证实,在这两种不同的材料中,这种新的分析技术就可以应用于许多化学或生物问题,提供对超快时间尺度上反应动力学的理解——本质上使我们能够观察化学的发生。这种对反应动力学的基本理解也将为未来合理设计具有定制物理和化学特性的材料奠定基础。使用太赫兹多维光谱测量太赫兹模式之间的耦合后,专门设计的强太赫兹脉冲将用于直接与这种振动运动相互作用,从根本上控制和引导化学动力学。这种控制,再加上对反应动力学的理解以及太赫兹多维光谱直接提供的相关时间尺度,产生了一种可以引导和控制反应的方法 - 具有巨大的潜在应用。该奖学金将集中于太赫兹驱动动力学的三种可能的应用,即(a)酶反应的控制,(b)固态相变的控制(浓缩药物相关多晶型物)和(c)催化反应的控制。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Photoconductive Arrays for High-Field Terahertz Generation
用于高场太赫兹产生的光电导阵列
  • DOI:
    10.1109/irmmw-thz.2019.8874371
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Bacon D
  • 通讯作者:
    Bacon D
Understanding the THz spectrum of L-cysteine
了解 L-半胱氨酸的太赫兹光谱
  • DOI:
    10.1109/irmmw-thz50927.2022.9896024
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Burnett A
  • 通讯作者:
    Burnett A
Theory of out of equilibrium light-induced phenomena: general discussion
不平衡光致现象理论:一般讨论
  • DOI:
    10.1039/d2fd90036j
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Alías-Rodríguez M
  • 通讯作者:
    Alías-Rodríguez M
Determining the THz and Infrared Spectral Properties of Single Crystals and Thin Crystalline Films from First Principles
从第一原理确定单晶和晶体薄膜的太赫兹和红外光谱特性
  • DOI:
    10.1109/irmmw-thz50927.2022.9895831
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Burnett A
  • 通讯作者:
    Burnett A
Calculating the Complex Permittivity of Powdered Crystalline Materials
计算粉末晶体材料的复介电常数
  • DOI:
    10.1109/irmmw-thz.2019.8874284
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Burnett A
  • 通讯作者:
    Burnett A
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  • 通讯作者:
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