【科学前沿】双甘氨肽与高定向热解石墨的散射动力学研究

摘 要

本文通过反应力场来研究中性双甘氨肽与高取向热解石墨的碰撞动力学过程，分别模拟初始入射角度为0o、20o、45o和70o以及入射能量为481.5 kJ/mol和表面温度为677K的情况，并且确定和分析了散射产物的角度分布、平动能分布、内能分布和表面滞留时间分布。双甘氨肽是一种多原子分子，具有较多的低频振动模式和较强的表面吸附相互作用，这些使得碰撞过程的表面滞留时间较长和容易造成能量损失，尤其是表面法线方向。由于碰撞分子的动量沿表面法线方向上明显地发生损失，而沿表面平行方向上的动量则会大部分保留，因此，其散射角通常会呈现出超镜面反射分布，并且末态的平动能要远小于所谓硬立方模型的预测值。本文加深了多肽分子与高取向热解石墨碰撞及其能量转移过程的认识和理解，有助于设计在稀薄大气中收集这类大分子的中性气体浓缩器。

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研究背景

最近人们对利用卫星在行星的稀薄大气中寻找具有生命特征的有机分子产生浓厚的兴趣。质谱仪经常被用来识别各种有机分子，然而在太空中，稀薄气体的低密度构成了一个严重的挑战。其中一种可能的解决方法是使用气体浓缩器，其入口为锥形集中壁并且连接着一个气体收集室。气体在集中壁上发生碰撞反应，促进气体散射到收集室中积累。设计这样一个气体浓缩器需要了解相关分子的散射行为。高定向热解石墨(HOPG)具有多层石墨烯的有序结构、表面稳定和化学惰性，是一种潜在的集中壁材料，研究表明Ar、Xe、N₂、O₂、CO₂和H₂O等在HOPG的高能碰撞过程，散射角度具有较窄的镜像或超镜像分布，其能量分布可以通过简单的硬立方模型（hard cube model）预测。对于多原子分子，在碰撞过程中能量容易转移到分子的内部运动模式，其散射行为要比惰性原子和小分子更为复杂。在本文中，我们将探讨双甘氨肽与HOPG的散射动力学，双甘氨肽是两个甘氨酸分子通过脱水缩合形成的肽键化合物，这为理解其他多肽化合物和更为复杂的生物分子提供了一个简单的模型。由于技术上的原因，双甘氨肽很难汽化进行实验，因此，理论模拟成为理解双甘氨肽散射过程的重要手段。

内容简介

我们通过反应力场（ReaxFF）来研究中性双甘氨肽与HOPG的碰撞动力学过程，分别模拟初始入射角度为0°、20°、45°和70°以及入射能量为481.5 KJ/mol和表面温度为677K的情况，并且确定和分析了散射产物的角度分布、平动能分布、内能分布和表面滞留时间分布。根据法线方向的动量变化情况，碰撞轨迹可以分为三种类型：直接散射（impulsive scattering）、多次碰撞散射（extended impulsive scattering）和束缚（trapping），其中直接散射在低入射角度时占据主导，并随着入射角度的增加而减小，而多次碰撞散射和束缚呈现相反的变化趋势。由于双甘氨肽具有较多的低频振动模式和较强的表面吸附相互作用，这些使得碰撞过程的表面滞留时间较长和容易造成能量损失，尤其是表面法线方向。由于碰撞分子的动量沿表面法线方向上明显地发生损失，而沿表面平行方向上的动量则会大部分保留，因此，其散射角通常会呈现出超镜面反射分布，并且末态的平动能要远小于硬立方模型的预测值。此外，模拟没有发现双甘氨肽碰撞解离（surface-induced dissociation）的现象。本研究加深了多肽分子与HOPG及其能量转移过程的认识和理解，有助于设计在稀薄大气中收集这类大分子的中性气体浓缩器。

通讯作者

郭华，是美国新墨西哥大学的化学系和物理系杰出教授，1988年在英国苏塞克斯大学获得博士学位；研究兴趣包括分子光谱学、分子反应的量子动力学、表面反应和多相催化等；在国际期刊发表500多篇学术论文，包括Science、Sci. Adv.、Nat. Chem.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Proc. Natl. Acad. Sci. USA和Phys. Rev. Lett.等，H指数为65；2013年当选美国物理学会会士，2016年被选为J. Phys. Chem.副编辑，2020年成为Science编审委员会成员。

Chinese Journal of Chemical Physics是中国物理学会主办，中国科学技术大学和中国科学院大连化学物理研究所协办，中国科协主管的化学物理类综合性英文学术期刊。本刊创刊于1988年，创刊名为“化学物理学报”，双月刊，2006年起改为全英文刊。本刊办刊宗旨为“面向国际化学和物理学前沿领域，及时报道化学和物理学各领域中创新科研成果和最新进展，学术成果”。报道和刊登国内外化学物理学科各领域创新性成果的“研究论文”、“研究快讯”及“前沿研究综述”。本刊严格按照国际选稿原则和编辑规范，注重原创性和快速性。本刊从2006年1月起至2012年12月，与英国物理学会出版集团（IOPP）合作。2013年至今与美国物理联合会（AIP）合作，由AIP代理海外出版发行。本刊从2002年起被SCI等国际检索系统收录。自2008年以来本刊的影响因子一直在稳定提升，具体情况详细见SCI IF。

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