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对DNA分子导电性的研究已经成为生物、物理、化学等学科及其交叉学科的研究热点。电子工业的迅猛发展使得电子器件小型化,在这种趋势下,分子电子学应运而生。而DNA分子由于其独特的可识别性和自组装性成为制作分子器件的候选材料之一。另外,近年来的研究发现DNA分子的电子结构及电荷输运对认识生命运动的规律、基因的损伤与治疗、信息的传递等许多方面都具有重要的意义。
不论是在实验还是理论计算中,DNA分子的导电性都呈现出多样性的结果,而且有些结论甚至是相互矛盾的。这说明人们对DNA分子中载流子的性质和电荷输运机制的认识还有很大分歧。在理论研究上,尽管第一性原理不需要借助任何经验或实验的数据就可以得出精确结论,但计算量会随分子尺度增大成指数地急剧增加,因此只能计算包含基对较少的短链DNA分子。紧束缚模型属于半经验的理论计算方法,在处理一维或准一维体系中取得了巨大成功。另外紧束缚模型能够包含电一声耦合,电子关联和外场等物理效应,这使得采用紧束缚模型方法研究“软”性分子具有其他理论方法所无法比拟的优势。DNA分子原则上可以看作“软”性的准一维结构体系,因此我们采用修正的一维紧束缚模型来计算大分子体系。
在处理电子和晶格相互耦合的体系时,采取了非绝热的动力学方法,研究了系统电子态随时间的演化。非绝热动力学方法不同于绝热近似,它允许电子在瞬时本征态之间的跃迁,即瞬时本征能级上的电子占据数可以随时间演化发生改变。
本工作的研究重点是通过对不同序列DNA分子链中形成载流子的驰豫过程以及在外场下载流子输运过程的动力学研究,发现:
1.在单一基对周期排列和基对二周期排列的DNA链中能够形成极化子或双极化子,其形成的时间比聚乙炔中形成的时间要长。双极化子形成的时间要比极化子的短。
2.在基对四周期排列及基对无序排列的DNA链中则不能形成极化子或双极化子。
3.基对排列的无序不利于极化子的形成。
4.DNA中的载流子可以在电场下输运,并且单一基对周期排列的DNA,更有利于载流子的输运。基对排列越是无序的DNA越不利于电荷的输运。