Tính toán phổ dao động của D-Glucose bằng phương pháp DFT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- NGUYỄN THỊ THỦY TÍNH TOÁN PHỔ DAO ĐỘNG CỦA D-GLUCOSE BẰNG PHƯƠNG PHÁP DFT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2015... ĐẠ

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THỊ THỦY

TÍNH TOÁN PHỔ DAO ĐỘNG CỦA D-GLUCOSE

BẰNG PHƯƠNG PHÁP DFT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015

Trang 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THỊ THỦY

TÍNH TOÁN PHỔ DAO ĐỘNG CỦA D-GLUCOSE

BẰNG PHƯƠNG PHÁP DFT

Chuyên ngành : Quang học

Mã số : 60440109

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HOÀNG CHÍ HIẾU

Hà Nội - 2015

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới:

Thầy giáo TS.Hoàng Chí Hiếu người đã trực tiếp chỉ bảo tận tình, giúp đỡ

em trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn này

Đồng thời, em rất cảm kích trước sự ủng hộ và giúp đỡ nhiệt tình của TS.Nguyễn Tiến Cường và ThS.Nguyễn Văn Thành đã chỉ bảo cho em về một số phần mềm và những vướng mắc trong quá trình làm việc

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tất cả các Thầy Cô, Tập thể cán bộ Bộ môn Vật lý quang, cùng toàn thể người thân, gia đình và bạn bè đã giúp

đỡ, động viên để em có thể hoàn thành luận văn này

Qua đây, em cũng chân thành gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô trong Khoa Vật lý đã dạy bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn của em

Hà Nội, ngày 05 tháng 02 năm 2015

Học viên cao học

Nguyễn Thị Thủy

Trang 4

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP DFTError! Bookmark not defined

1.1 Giới thiệu về lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT)Error! Bookmark not defined

1.1.1 Bài toán của hệ nhiều hạt Error! Bookmark not defined

Error! Bookmark not defined

not defined

1.1.5 Phiếm hàm gần đúng mật độ địa phương (LDA – Local Density Approximation) Error! Bookmark not defined 1.1.6 Phương pháp gần đúng gradient suy rộng (GGA)Error! Bookmark not

defined

1.2.2 Nguồn gốc và cấu trúc phổ Raman Error! Bookmark not defined 1.2.3 Các nguyên tắc chọn lọc cho phổ Hồng ngoại và phổ Raman Error!

Bookmark not defined

1.2.4 Sự dao động của phân tử 2 nguyên tử Error! Bookmark not defined 1.2.5 So sánh phổ Raman và phổ Hồng ngoại Error! Bookmark not defined 1.2.6 Ứng dụng của phương pháp phân tích phổ RamanError! Bookmark not

defined

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN Error! Bookmark not defined 2.1 Tổng quan về Glucose Error! Bookmark not defined

Trang 5

2.1.1 Các phân tử Sacchride Error! Bookmark not defined 2.1.2 Glucose Error! Bookmark not defined 2.1.2.1 Định nghĩa Error! Bookmark not defined 2.1.2.2 Trạng thái tự nhiên Error! Bookmark not defined 2.1.2.3 Tính chất Vật lý Error! Bookmark not defined 2.1.3 Công thức cấu tạo Error! Bookmark not defined 2.1.4 Tính chất hóa học Error! Bookmark not defined 2.1.5 Điều chế và ứng dụng Error! Bookmark not defined 2.1.5.1 Điều chế Error! Bookmark not defined 2.1.5.2 Ứng dụng Error! Bookmark not defined

defined

2.1.7 Một số nghiên cứu quang phổ học dao động của Glucose Error!

2.2 Phương pháp tính toán Error! Bookmark not defined 2.3 Mô hình và các thông số tính toán Error! Bookmark not defined

2.3.1 Cấu trúc phân tử của D-Glucose Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Đặc trưng phổ Raman của và D-Glucose Error! Bookmark not defined

3.2 Đặc trưng phổ Raman của phân tử H 2 O Error! Bookmark not defined 3.3 Ảnh hưởng của H 2 O lên phổ Raman của D-Glucose.Error! Bookmark not defined

Trang 6

3.3.1 Ảnh hưởng của H 2 O lên phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số lân cận 1600cm -1 Error! Bookmark not defined

3600cm -1 – 3800cm -1 Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 1

Trang 7

i

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Các phiếm hàm GGA được sử dụng trong chương trình Dmol3

Error!

Bảng 2.1: Các đỉnh dao động của D-Glucose khô trong vùng CH Error!

Bảng 2.2: Các thông số về khoảng cách và góc liên kết của Glucose và

D-Glucose khi đã tối ưu Error! Bookmark not defined

Bảng 2.3: Mô hình và các thông số về khoảng cách, góc liên kết của H2O khi đã tối

ưu Error! Bookmark not defined

Bảng 3.1: Các mode dao động và loại dao động tương ứng của và D-Glucose

trong khoảng từ 0 – 1700cm-1

trong khoảng từ 2700 – 3200cm-1

trong khoảng từ 3300 – 3900cm-1 Error! Bookmark not defined

Bảng 3.4: Các mode dao động và loại dao động tương ứng của H2O Error!

Bảng 3.5: Sự thay đổi số sóng của D-Glucose khi chưa có phân tử H2O và khi đã

có một phân tử H2O, hai phân tử H2O trong khoảng lân cận 1600cm-1

có một phân tử H2O, hai phân tử H2O trong khoảng lân cận 3600 - 3800cm-1 Error! Bookmark not defined

Trang 8

ii

có một phân tử H2O, hai phân tử H2O trong khoảng lân cận 3600 - 3800cm-1 Error! Bookmark not defined

Trang 9

iii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 : Sự khác nhau về cơ chế giữa phổ Raman và phổ hồng ngoại Error!

Hình 1.2: Các mode dao động chuẩn tắc của phân tử CO2 (+ và – ký hiệu tương

ứng cho các dao động tới và lui theo hướng vuông góc với mặt phẳng giấy 25

Hình 1.3: Sự thay đổi moment lưỡng cực của phân tử H2O trong suốt mỗi quá

trình dao động chuẩn tắc 26

Hình 1.4: Sự phân cực của một phân tử gồm hai nguyên tử dưới tác động của điện

trường 26

Hình 1.5: Sự thay đổi của các ellipsoid phân cực trong suốt quá trình dao động

của phân tử CO2 28

Hình 1.6: Sự khác nhau giữa dao động ν1 và ν3 trong phân tử CO2 29

Hình 1.7: Sự thay đổi của các ellipsoid phân cực trong suốt quá trình dao động

chuẩn tắc của phân tử H2O 29

Hình1.8: Các mức năng lượng của phân tử 2 nguyên tử 30 Hình 1.9: Dao động của phân tử 2 nguyên tử Error! Bookmark not defined Hình 1.10: Biểu đồ thế năng của một dao động điều hòa 32 Hình 1.11: Hàm sóng(trái ) và các phân bố xác suất phải của dao động tử điều hòa 34 Hình 1.12: Đường cong thế năng cho một phân tử hai nguyên tử Đường cong nét

liền cho thấy thế năng Morse xấp xỉ với thế năng thực tế Đường nét đứt

là đường cong thế năng cho dao động điều hòa và là năng lượng

phân ly theo lý thuyết và quang phổ Error! Bookmark not defined

Hình 2.1: Công thức cấu tạo của Glucose Error! Bookmark not defined Hình 2.2: Công thức cấu tạo dạng mạch hở của GlucoseError! Bookmark not

defined

Hình 2.3: Công thức cấu tạo mạch vòng của GlucoseError! Bookmark not

defined

Trang 10

iv

Hình 2.4: Sự chuyển hóa qua lại giữa Glucose và Glucose.Error! Bookmark

not defined

Hình 2.5: Công thức cấu tạo của D-Glucose và L-Glucose.Error! Bookmark not

defined

Hình 2.6: Sơ đồ quá trình lên men rượu Error! Bookmark not defined Hình 2.7: Sơ đồ quá trình lên men Axit Lactic 49 Hình 2.8: Phổ Raman của dung dịch D-Glucose với nồng độ 22% và 50% theo

Mathlouthi và Luu 51

Hình 2.9: Phổ FT-Raman của dung dịch α-D-Glucose “khô” và “ướt” theo Joanna

Goral 52

Hình 2.10: Phổ FT-Raman của dung dịch β-D-Glucose “khô” và “ướt”theo Joanna

Goral 53

Hình 2.11: Phổ FT-IR của D-Glucose khô trong vùng CH 55 Hình 2.12: Cấu tạo dạng mạch vòng của D-Glucose và D-Glucose Error!

Hình 2.13: Cấu trúc dạng mạch vòng của α-D-Glucose và β-D-Glucose được mô

phỏng bằng phần mềm Materials Studio.Error! Bookmark not defined

Hình 2.14: Cấu trúc dạng mạch vòng của α-D-Glucose và β-D-Glucose được mô

phỏng bằng phần mềm Materials Studio khi đã tối ưu Error!

Hình 2.15: a Đồ thị năng lượng của quá trình tối ưu hóa mô hình D-Glucose

b Đồ thị năng lượng của quá trình tối ưu hóa mô hình D-Glucose Error!

Hình 2.16: a D-Glucose trạng thái HOMO b D-Glucose trạng thái LUMO

c D-Glucose trạng thái HOMO d D-Glucose trạng thái LUMO

e H2O trạng thái HOMO f H2O trạng thái LUMO Error!

Hình 2.17: Các vị trí đặt phân tử H2O vào mô hình đã được tối ưu của

D-Glucose Error! Bookmark not defined

Trang 11

v

Hình 2.18: Các vị trí đặt phân tử H2O vào mô hình đã được tối ưu của

D-Glucose Error! Bookmark not defined

Hình 3.1: a Phổ Raman của α-D-Glucose trong khoảng tần số từ 0–4000 cm-1

b Phổ Raman của β-D-Glucose trong khoảng tần số từ 0–4000 cm-1 Error!

Hình 3.2: a Phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số 0 – 1700cm-1

b Phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số 0 – 1700cm-1 Error!

Hình 3.3: a Phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số 2700 - 3200 cm-1

b Phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số 2700 - 3200 cm-1 Error!

Hình 3.4: a Phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số 3300 - 3900 cm-1

b Phổ Raman của D-Glucose trong khoảng tần số 3300 - 3900 cm-1 Error!

Hình 3.5: Phổ Raman của phân tử H2O Error! Bookmark not defined

Hình 3.6: Phổ Raman thu được của D-Glucose trong khoảng lân cận 1600cm-1

a Khi chưa có H2O b Khi có 1 H2O ở vị trí 1

c Khi có 1 H2O ở vị trí 2 d Khi có 2 H2OError! Bookmark not

defined

Hình 3.7: Phổ Raman thu được của D-Glucose trong khoảng lân cận 1600cm-1

defined

Hình 3.8: Cấu hình của D-Glucose trước và sau khi tính toán.Error! Bookmark

not defined

Hình 3.9: Cấu hình của D-Glucose trước và sau khi tính toán.Error! Bookmark

not defined

Hình 3.10: Phổ Raman thu được của D-Glucose trong khoảng 3600 - 3800cm-1

Trang 12

vi

defined

Hình 3.11: Phổ Raman thu được của D-Glucose trong khoảng 3600 - 3800cm-1

defined

Trang 13

vii

CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

: Lượng điện tích chuyển từ các phân tử từ tính sang phân tử phi từ

AO: Quỹ đạo nguyên tử (Atomic orbital)

DFT: Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density functional theory)

: Tổng năng lượng

: Ái lực điện tử của phân tử phi từ

: Năng lượng liên kết giữa các phân tử

: Năng lượng của trạng thái singlet

: Năng lượng của trạng thái triplet

: Năng lượng tương quan trao đổi

HOMO: Quỹ đạo phân tử cao nhất bị chiếm (Highest occupied molecular orbital) HS: Spin cao (High spin)

: Tham số tương quan trao đổi hiệu dụng

: Động năng

LS: Spin thấp (Low spin)

LUMO: Quỹ đạo phân tử thấp nhất không bị chiếm (Lowest unoccupied molecular

orbital)

m: Moment từ

n: Điện tích

MDED: Mật độ biến dạng điện tử (Molecular Deformation Electron Density)

MO: Quỹ đạo phân tử (Molecular orbital)

S: Tổng spin

SOMO: Quỹ đạo bị chiếm bởi một điện tử

SE: Tương tác siêu trao đổi (Super Exchange Interaction)

DE: Tương tác trao đổi kép (Double Exchange Interaction )

DOS: Mật độ trạng thái (Density Of States)

LDA: Phiếm hàm gần đúng mật độ địa phương (Local Density Approximation) GGA: Phương pháp gần đúng gradient suy rộng (Generalized Gradient

Approximation)

LCAO: Tổ hợp tuyến tính các orbital nguyên tử (Linear Combination of Atomic Orbital)

Trang 14

1

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng anh

1 Black-Schaffer A M (2010), “RKKY coupling in graphene,” PHYSICAL

REVIEW B, vol 81, pp 205416

2 Born M., Blinder S M (1927), “Annalen der physic”, Physik, 84, pp

457-484

3 Brack M (1985), Semiclassical description of nuclear bulk properties In

Density-Functional Methods in Physics, New York: Plenum, pp 331-379

4 Castro Neto A H., Guinea F., Peres N M R and Novoselov K S., and

Geim A K (2009), “The electronic properties of grapheme”, Rev Mod

Phys 81, pp 109

5 F A Momany, M Appell, G Strati and J L Willett, Carbohydrate Research

339 (2004) 553-567

6 E C CORBETT and V ZICHY Department of Chemistry, University of Southampton, Southampton SO9 SNH, U.K; “Fourier transform Raman studies of materials and compounds of biological importance-JI The effect

of moisture on the molecular structure of the alpha and beta anomers of D-glucose” Spcctmchimica Acta, Vol 47A, No 9/10, pp 1399-1411,199l, Printed in Great Britain

7 Fermi E (1927), “Un metodo statistice per la determinazione di alcune

proprieta dell'atomo”, Rend Accad Lincei, 6, pp 602-607

8 Fermi E (1928a), “A statistical method for the determination of some atomic properties and the application of this method to the theory of the periodic

system of elements”, Rend Z Phys, 48, pp 73-79

9 Fermi E (1928b), “Sulla deduzione statistica di alcune proprieta dell'atomo,

Applicazione alia teoria del systema periodico degli elementi”, Rend Accad

Lincei, 7, pp 342-346

Trang 15

2

10 Fiolhais C., Nogueira F., Marques M (2003), A Primer in Density

Functional Theory, Springer-Verlag Berlin Heidelberg

11 Fock V A (1930), Z Phys, 61, pp 126

12 Fu H.H., Yao K L and Liu Z L (2008), “Magnetic properties of

very-high-spin organic pi-conjugated polymers based on Green's function theory”, J

Chem Phys., 13, pp 134706

13 Gombas P (1949), Die statistischen Theorie des Atomes und Ihre

Anwendungen Wein, Springer-Verlag

14 Grimme S (2004), “Accurate Description of van der Waals Complexes by

Density Functional Theory Including Empirical Corrections,” J Comput

Chem., vol 25, pp 1463–1473

15 Gross E K U., and Dreizler R M (1979), “Thomas-Fermi approach to diatomic systems I Solution of the Thomas-Fermi and

Thomas-Fermi-Dirac-Weizsäcker equations”, Phys Rev A, 20, pp 1798-1807

16 Hartree D R (1928), Proc Camb Phil Soc, 24, pp 328

17 Hiroyuki T., Daisuke S., Tomoaki I., Kazunobu S., and Takeji T, (2006),

“Thymine-substituted nitronyl nitroxide biradical as a triplet (S = 1)

component for bio-inspired molecule-based magnets”, Polyhedron, 26, pp

2230–2234

18 Hoang Chi Hieu a,b, Hongyan Li a, Yoshihiro Miyauchi c, Goro Mizutani a,⇑, Naoko Fujita d, Yasunori Nakamura d; “Wetting effect on optical sum frequency generation (SFG) spectra of D-glucose, D-fructose, and sucrose” Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.saa.2014.10.108

19 Hohenberg P., Kohn W (1964), “Inhomogeneous Electron Gas”, Phys Rev,

136, pp B864-B871

20 Ivanova A., Baumgarten M., Baumgarten S x and Tyutyulkov N., “Design

of ferromagnetic alternating stacks of neutral and ion-radical hydrocarbons,”

Phys Chem Chem Phys., vol 5, pp 4932–4937, Sep 2003

Định dạng
Số trang	17
Dung lượng	529,67 KB