分子器件的新一代量子拓扑理论

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21673071
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0301.化学理论与方法
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

The project is committed to the development of a new method to elucidate mechanically, thermally and photochemically induced phenomena in molecular devices. The proposed development will be undertaken within the framework of the next generation quantum topological theory consisting of my progress in QTAIM/quantum stress tensor and Ehrenfest Force atoms-in-molecules based partitioning schemes. Next generation quantum topological theory will partner existing theory methods and will use their resultant total electronic charge density distributions as input and is suitable for many types of chemical, physical and excited state phenomena; photo-isomerization, excited state intra-molecular proton transfer (ESIPT) and the related avoided crossings and conical intersections of potential energy surfaces. The adaptations of the bonding topology to the functioning of the mechanical, thermal and light driven devices can reveal chemical patterns beyond the scope of the Woodward Hoffman rules. The subsequent topological transformation can be modulated by purely synthetic means by introducing substituents, heteroatoms, modifying the backbone structures and the environmental factors. As deemed necessary, predictions made on the basis of the bonding topology analysis will be verified by non-adiabatic molecular dynamics simulations of the excited state reactions of the modified species. In particular, this will enable the performance of light driven molecular devices to be optimized in terms of the quantum yield and/or selectivity of the photoreaction. This can be achieved by applying my next generation quantum topological theory in combination with the advanced methods for describing the molecular excited states and the relevant potential energy surfaces. The electronic structure of the excited state species will be analyzed along the non-adiabatic molecular dynamics trajectories, which will also provide information on the quantum yields of excited state reactions..I hope that the developments of next generation quantum topological theory can be implemented to become a new tool to determine and modulate the reactive pathways of mechanically, thermally and light driven molecular devices.
本项目致力于发展一种新方法用于解释分子器件中的力学、热学和光化学诱导现象。工作将在新的量子拓扑理论框架下展开,其中包括申请人在分子中的原子量子理论QTAIM,量子化学压力张量和基于QTAIM的埃伦费斯特力分区等方法上已取得的进展。新量子拓扑理论将结合现有理论方法并将其生成的电荷密度分布作为输入信息,该理论适用于多种化学、物理和激发态现象;光致异构化、ESIPT和相关势能面的反交叉及圆锥交叉。成键拓扑学适用于解释伍德沃德霍夫曼规则外的化学现象,随后的拓扑转化可通过纯合成方法例如引入取代基、杂原子和修改主链结构和环境因素等进行调整。基于成键拓扑分析做出的预测能通过对改性物种的激发态反应的非绝热分子动力学模拟来验证。这将使光驱动分子器件在光反应的量子产率和/或选择性等方面的性能得到优化。对激发态物质电子结构的分析可沿非绝热分子动力学轨迹,还能提供激发态反应的量子产率相关信息。

结项摘要

研究项目21673071通过彻底重新考虑手性,开辟了新的研究领域,例如立体化学,主要按照计划:(A)作为开关的开环反应。利用下一代QTAIM (NG-QTAIM)的定向特性,我们确定了开环反应、电机和开关的电子重组与实验数据一致,包括键断裂和形成的同步性,使竞争开环反应被成功地考虑。(B)取代光驱动的芴分子马达。这一领域的研究在QTAIM和NG-QTAIM理论发展的基础上,导致了对控制分子马达转速因素的认识。对分子马达激发态动力学特性的解释表明,在设计马达分子时,应注意马达叶片之间的相互作用,以防止马达失速。这些分子内相互作用的偶联程度或粘性由QTAIM决定,可以通过改变添加到手性中心的原子来控制。最后,人们对量子效率的关注较少,因为后来人们发现量子效率依赖于宏观效应,而这在本研究的范围内是无法实现的。然而,我们仍然可以成功地完成这一部分的项目,因为除了确定存在的粘性相互作用,减慢电机,发现了新的方法来评估轴向键旋转的纯度,为旋转分子电机的设计。此外,这部分的项目已经导致了对手性的新认识的形成,请看未来的工作在本文件的结尾。(C)二芳基乙烯(DTE)开关的光反应性。我们成功地确定了影响开关光反应效率的拓扑-机械因素。由于NG-QTAIM的灵敏度,我们将定向电场应用在比通常使用的电场低得多的电场上,从而产生了未来使用激光的想法,从而影响开关的行为。

项目成果

期刊论文数量(30)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
The destabilization of hydrogen bonds in an external E-field for improved switch performance
外部电场中氢键的不稳定可改善开关性能
  • DOI:
    10.1002/jcc.25843
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Journal of Computational Chemistry
  • 影响因子:
    3
  • 作者:
    Xu Tianlv;Momen Roya;Azizi Alireza;van Mourik Tanja;Fruchtl Herbert;Kirk Steven R;Jenkins Samantha
  • 通讯作者:
    Jenkins Samantha
Next Generation QTAIM for the S1/S0 Conical Intersections in Dynamics Trajectories of a Light-Driven Rotary Molecular Motor
用于光驱动旋转分子电机动力学轨迹中 S1/S0 圆锥形交点的下一代 QTAIM
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    International Journal of Quantum Chemistry
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    LiLing Wang;Alireza Azizi;Roya Momen;Tianlv Xu;Steven R. Kirk;Michael Filatov;Samantha Jenkins
  • 通讯作者:
    Samantha Jenkins
A vector-based representation of the chemical bond for the normal modes of benzene
基于矢量的苯正则模式化学键表示
  • DOI:
    10.1002/qua.25698
  • 发表时间:
    2018-04
  • 期刊:
    International Journal of Quantum Chemistry
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Wei Jie Huang;Alireza Azizi;Tianlv Xu;Steven R. Kirk;Samantha Jenkins
  • 通讯作者:
    Samantha Jenkins
Next-generation quantum theory of atoms in molecules for the ground and excited state of DHCL
DHCL基态和激发态分子中原子的下一代量子理论
  • DOI:
    10.1016/j.cplett.2019.01.016
  • 发表时间:
    2018-10
  • 期刊:
    Chemical Physics Letters
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Tian Tian;Xu Tianlv;Kirk Steven R;Filatov Michael;Samantha Jenkins
  • 通讯作者:
    Samantha Jenkins
Explanation of the role of hydrogen bonding in the structural preferences of small molecule conformers
氢键在小分子构象异构体结构偏好中的作用的解释
  • DOI:
    10.1016/j.cplett.2019.06.015
  • 发表时间:
    2019-09
  • 期刊:
    Chemical Physics Letters
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Wang Liling;Azizi Alireza;Xu Tianlv;Kirk Steven R;Samantha Jenkins
  • 通讯作者:
    Samantha Jenkins

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其他文献

Understanding chemical coupling in cyclic versus compact water clusters with the Ehrenfest Force
  • DOI:
    10.1016/j.cplett.2021.138983
  • 发表时间:
    2021-10-16
  • 期刊:
    Research article
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Hui Xing;Yong Yang;Xing Nie;Tianlv Xu;Steven R. Kirk;Samantha Jenkins
  • 通讯作者:
    Samantha Jenkins
Nutrition provision in Australian and New Zealand PICUs: A prospective observational cohort study (ePICUre).
澳大利亚和新西兰 PICU 的营养供应:一项前瞻性观察队列研究 (ePICUre)。
  • DOI:
    10.1016/j.nut.2023.112261
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
    Nutrition
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    J. Winderlich;Bridget S Little;F. Oberender;Tessa Bollard;Tamara Farrell;Samantha Jenkins;Emma Landorf;Andrea McCall;J. Menzies;Katie O’Brien;Carla Rowe;Kirsten Sim;Melanie van der Wilk;Jemma Woodgate;Eldho Paul;A. Udy;E. Ridley
  • 通讯作者:
    E. Ridley
Quantum topology phase diagrams for molecules, clusters, and solids
分子、团簇和固体的量子拓扑相图
  • DOI:
    10.1002/qua.24398
  • 发表时间:
    2013-06
  • 期刊:
    International Journal of Quantum Chemistry
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Samantha Jenkins
  • 通讯作者:
    Samantha Jenkins
The role of the natural transition orbital density in the S<sub>0</sub> → S<sub>1</sub> and S<sub>0</sub> → S<sub>2</sub> transitions of fulvene with next generation QTAIM
  • DOI:
    10.1016/j.cplett.2020.137556
  • 发表时间:
    2020-07-16
  • 期刊:
    Research article
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    LiLing Wang;Alireza Azizi;Tianlv Xu;Michael Filatov;Steven R. Kirk;Martin J. Paterson;Samantha Jenkins
  • 通讯作者:
    Samantha Jenkins

其他文献

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Samantha Jenkins的其他基金

分子中原子的量子理论(QTAIM)用于激发态化学的研究
  • 批准号:
    21273069
  • 批准年份:
    2012
  • 资助金额:
    70.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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