理论化学研究进展以及在可持续发展中的应用

吴才智

摘 要： 文章对近年来理论化学研究进展进行了梳理，并对其在有机功能材料中的应用展开探究，论述理论化学在我国可持续发展中产生的价值。

关键词： 理论化学;可持续发展;应用

【中图分类号】O613.72     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）05-0281-01

现代化学基于统计力学以及量子力学构建起理论体系，在自然科学发展中有着不可忽视的价值，但随着化学在社会实践中的应用与发展，计算化学、理论化学也有了长足发展，其从化学理论方法、化学解释、化学概念等角度出发解决环境领域、生命科学领域、能源领域出现的科学问题。因此，对近年来理论化学在国内外取得的成果与研究进展进行梳理，了解理论化学在可持续发展中的应用，更深入的了解理论化学与可持续发展之间的关系。

1 理论化学研究进展

理论化学仍以现代化学的统计力学与量子力学为基础，很多学者更是将理论化学作为量子力学的一部分来看待，但从理论力学的核心内容电子结构理论以及化学动力学理论来看，其始终以量子力学中的两个方程为出发点进行研究，一是狄拉克方程、二是薛定谔方程。基于此，近年來，国内外取得了突出的研究成果：

1.1 国外研究进展

2007年，剑桥大学在分子柔性与力场具有可转移性上的研究使分子间相互作用势的价值得到了进一步发掘，从而在利用分子研发小分子材料，用于更高端材料研发有了可靠方法;同时也在这一年，诺贝尔化学奖获奖者Gerhard Ertl展开了关于催化Haber-Bosch表面机理的分析，通过分子碰撞产生的能量激发化学反应发生，是实现氨肥合成的关键因素，这一机理有效的解决该问题;2018年，Science杂志出版了一本关于理论化学的专辑，其主要对如何解决蛋白质折叠问题进行分析[1]。

1.2 国内研究进展

相比于国外，国内关于理论化学的研究成果也十分丰富，2008年柳志刚基于理论层面对有机功能材料性能进行的解析，得到了计算其性能的若干种方法;黎书华学者关于大分子体系的研究在国际上引起轰动，其提出的线性标度方法弥补了以往研究的空白;刘文剑学者在BDF程序研发方面取得了突出成绩，或得2006年化学领域的诸多奖项。

2 理论化学在可持续发展中的应用

从上述内容可知，国内外关于理论化学的研究在电子结构、动力力学方面都取得了一定的成绩，但有机材料领域与可持续发展密切相关，人们对于在这一领域如何利用有机材料减少对不可再生能源的消耗有着更强烈的兴趣。因此，在上个世纪关于该方面的探究也在不断进行，本次分析主要基于理论化学的基础知识，通过蒙特-卡罗提出的动力学模拟对有机材料如何产生能量、实现能量转换、能量转换上限进行探究[2]。

具体来将，高分子材料本身具有异质结光伏，当太阳光照射在有机材料中，最先通过透明电极，再刺激单线态激子，使其能够利用Frater过程实现迁移，运动至材料中的受体界面，在抵达后自身自动进行电荷分离，摆脱给体中存在的各种束缚，传递给受体材料，材料中存在内电场可以驱动电子，并通过材料中存在的空穴进行个网络间的穿梭，最终被电极回收。但这个过程受材料给受体微观尺度的影响，在电子穿梭过程中，要保障区域尺度处于最小状态，以保障电子有充足的能量达到给受体界面，避免激子出现萎缩，同时，也可以利用尺度调整保障激子运动的高效率进行[3]。但在微观尺度较小状态下，无法保障电荷传输质量，尤其是在空穴传输中，电子容易陷入空穴。面对该情况，理论力学中研发多种算法：

（1）建立起三维格点阵列，假设高分子团直径为3cm，处于相邻状态的同类分子团在任何情况下也无法实现能量增加，但为异类时，则可增加J/2值的能量;再通过自旋交换概率对整个体系的能量变化进行计算，公式为：

P（△ε）=exp（-△εlkBT）/（1+exp（-△εlkBT））

（2）利用第一反应算法对高分子团激子运动过程中产生有机光伏的整个过程进行模拟，配合FRM思想按照顺序进行离散事件排列，这部分则基于计算化学展开，形成数据结构，并按照构象对数据结构进行改变，从而确定每个事件在发生前的等待时间以及发生过程中消耗的时间[4]。具体来讲，主要应用第一反应算法进行有机光伏电池模拟，在现有技术条件下，光伏电池中存在激子、电子、空穴三种可移动粒子，三者均常见于具有一定浓度的高分子材料当中，第一反应算法将高分子材料中每一个粒子看做一个事件，通过对其体系构象的分析与改变，描述事件的发生与等待时间，并按照等待时间将事件进行排列，形成一个临时序列;随着时间体系构象的演变，事件也自觉随之更新，反馈着整个演变过程的推进情况。但在推进的过程中，有特殊时刻存在，事件序列中的第一个事件体系与构象演变结束，从序列中被剔除，序列将重新进行排序，但这个序列中事件等待时间发生了变化，需要将剔除事件等待与消耗时间同时剔除。

按照第一反应法的这一原则，可对高分子材料所有粒子的演进与等待时间进行计算，从而选择等待时间最少的序列以及粒子，将其插入到整个序列当中，优化高分子结构排序。

结束语：综上所述，我国理论化学在艰难岁月中开创，经过几代人的不懈努力，逐步形成体系，但与发达国家仍然存在差距，未来我国理论化学将朝着创新发展方向不断前进，在材料科学、环境科学、生命科学、纳米科学等领域中深度渗透，实现与更多学科交叉应用，从而将其社会价值更充分的体现在社会可持续发展中。

参考文献

[1] 周启星，唐景春，魏树和.环境绿色修复的地球化学基础与相关理论探讨[J].生态与农村环境学报，2020，36（1）：1-10.

[2] 邹汉波，陈胜洲，赵朝晖， 等.化学反应工程理论在电镀废弃物处理中的应用[J].电镀与涂饰，2019，38（23）：1305-1310.

[3] 宫利东，郑胜男，卜聪明， 等.（Urea）n（n=2～5）内分子间相互作用的理论化学研究[J].辽宁师范大学学报（自然科学版），2019，42（4）：477-485.

[4] 池奕承，张鹏.气体大分子燃料高精度理论热化学研究综述[J].气体物理，2019，4（5）：32-42.