阐明经伽马射线辐照的聚（甲基丙烯酸甲酯）的电子结构和光学性质：实验研究及密度泛函理论（DFT）方法

《Radiation Physics and Chemistry》：Elucidating the electronic structure and optical properties of gamma-irradiated poly(methyl methacrylate): Experimental study and DFT approach

γ射线辐照导致PMMA材料表面粗糙度增加、吸收边红移、带隙能量降低及折射率上升，通过FTIR、光谱分析和DFT理论计算验证了分子链断裂与交联的协同效应及电子结构变化。

　　聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为一种广泛应用的高分子材料，其性能受到多种外部因素的影响，其中辐射处理是一个重要研究方向。近年来，随着对材料性能改进需求的增加，gamma辐射技术因其能够有效改变材料的化学结构和物理特性而受到关注。本研究通过实验与理论相结合的方式，深入探讨了不同剂量的gamma辐射对PMMA材料结构、表面特性和光学性能的影响，并揭示了这些变化背后的分子机制。

PMMA因其优异的机械强度、化学稳定性和玻璃般的光学特性，在多个工业领域中得到了广泛应用。例如，它被用于制造抗碎窗户、发光标识、光学元件以及电子、建筑和家用产品的结构材料。此外，PMMA在生物医学领域也具有重要地位，如用于骨科、牙科、假肢和眼科等应用，因其良好的生物相容性。随着技术的发展，PMMA还被用于直接微结构技术，如质子束刻写和紫外光刻，以及在质子放射治疗领域中作为束流监测设备和模拟体材料。因此，研究PMMA与不同辐射形式的相互作用具有重要的科学和应用价值。

在本研究中，PMMA样品被暴露于不同剂量的gamma辐射下，以评估其性能的变化。研究使用了多种分析技术，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、表面粗糙度光谱和光学光谱，以全面研究材料在辐射后的变化。实验结果显示，随着gamma辐射剂量的增加，PMMA材料的结构发生了显著改善，这可能与材料链的重组有关。同时，样品的表面粗糙度也有所增加，表明辐射处理导致了表面形态的变化。此外，光学性能的分析表明，随着辐射剂量的提高，材料的吸收边向长波长方向移动，这意味着材料的光学特性发生了变化。

研究还发现，随着gamma辐射剂量的增加，材料的带隙能量有所降低，而折射率则有所上升。这表明，PMMA在受到辐射后，其电子结构发生了改变，导致光学特性发生了变化。带隙能量的变化可能与材料内部产生的新电子态有关，这些新电子态在辐射作用下形成，从而改变了材料的电子行为。同时，材料的折射率变化可能与材料表面的物理变化有关，如表面裂纹和孔洞的形成。

为了进一步理解这些变化，研究采用了密度泛函理论（DFT）进行计算。DFT是一种强大的理论工具，能够有效预测材料的分子结构、电子行为和光学特性。研究使用了B3LYP方法和6-311G（d,p）基组进行DFT计算，以探索PMMA分子的谱学和结构特性之间的关系。通过DFT计算，研究能够预测材料的分子几何结构、振动频率、电子跃迁以及分子电荷分布等关键参数。这些计算结果与实验数据进行了对比，以验证理论模型的准确性。

实验与理论的结合不仅有助于理解PMMA在gamma辐射下的行为，还能够揭示其分子层面的变化机制。例如，研究通过DFT计算预测了材料的前线分子轨道（HOMO和LUMO）能量，这些能量的变化与材料的电子行为密切相关。同时，研究还分析了材料的分子静电势（MEP）和穆莱肯原子电荷，以揭示材料内部的电子密度分布和化学反应特性。这些分析结果表明，PMMA在受到gamma辐射后，其分子结构发生了变化，导致了新的化学反应和电子行为。

此外，研究还探讨了gamma辐射对PMMA表面特性的影响。通过实验观察，发现随着辐射剂量的增加，PMMA样品的表面逐渐出现裂纹和孔洞，这可能是由于材料内部的化学反应和结构变化所导致。同时，表面粗糙度的增加也表明，材料的表面形态发生了变化，这可能与材料的表面化学反应和结构重组有关。这些变化不仅影响了材料的表面特性，还可能对材料的光学性能和机械性能产生影响。

为了全面评估这些变化，研究还采用了多种实验技术，包括FTIR、表面粗糙度光谱和光学光谱。这些技术能够提供关于材料化学结构、表面形态和光学特性的重要信息。例如，FTIR光谱能够揭示材料的化学变化，表面粗糙度光谱能够评估材料表面形态的变化，而光学光谱能够提供关于材料光学性能变化的信息。通过这些实验技术，研究能够全面了解PMMA在gamma辐射下的行为，并揭示其分子层面的变化机制。

研究结果表明，gamma辐射对PMMA材料的结构和光学性能产生了显著影响。这些影响不仅限于材料的表面特性，还可能涉及材料的内部结构和电子行为。例如，随着辐射剂量的增加，PMMA材料的吸收边向长波长方向移动，这表明材料的光学特性发生了变化。同时，材料的带隙能量降低，而折射率上升，这可能与材料内部产生的新电子态和化学反应有关。这些变化可能对材料的性能产生影响，如光学透过率、机械强度和化学稳定性等。

此外，研究还探讨了gamma辐射对PMMA材料的化学反应影响。例如，随着辐射剂量的增加，材料内部的化学键可能被破坏，导致自由基的产生和新键的形成。这些化学反应可能对材料的性能产生影响，如表面粗糙度、光学特性等。同时，材料的表面可能因化学反应而发生变化，如出现裂纹和孔洞，这可能影响材料的机械性能和化学稳定性。

为了进一步理解这些变化，研究还采用了多种理论方法，包括DFT计算和分子静电势分析。这些方法能够提供关于材料分子结构和电子行为的重要信息。例如，DFT计算能够预测材料的分子几何结构、振动频率和电子跃迁，而分子静电势分析能够揭示材料内部的电子密度分布和化学反应特性。这些理论方法与实验技术相结合，能够全面评估PMMA在gamma辐射下的行为，并揭示其分子层面的变化机制。

研究还发现，PMMA在受到gamma辐射后，其表面可能因化学反应而发生变化，如出现裂纹和孔洞。这些变化不仅影响了材料的表面特性，还可能对材料的光学性能和机械性能产生影响。例如，随着辐射剂量的增加，材料的表面粗糙度增加，这可能与材料内部的化学反应和结构变化有关。同时，材料的表面可能因化学反应而发生变化，如出现裂纹和孔洞，这可能影响材料的机械性能和化学稳定性。

此外，研究还探讨了gamma辐射对PMMA材料的光学特性影响。例如，随着辐射剂量的增加，材料的吸收边向长波长方向移动，这表明材料的光学特性发生了变化。同时，材料的带隙能量降低，而折射率上升，这可能与材料内部产生的新电子态和化学反应有关。这些变化可能对材料的性能产生影响，如光学透过率、机械强度和化学稳定性等。

研究还发现，PMMA在受到gamma辐射后，其分子结构发生了变化，导致了新的化学反应和电子行为。例如，随着辐射剂量的增加，材料的分子静电势发生变化，这可能与材料内部的电子密度分布和化学反应有关。同时，材料的分子几何结构也发生了变化，这可能与材料内部的化学键重组有关。这些变化不仅影响了材料的表面特性，还可能对材料的光学性能和机械性能产生影响。

综上所述，本研究通过实验与理论相结合的方式，深入探讨了不同剂量的gamma辐射对PMMA材料结构、表面特性和光学性能的影响。研究结果表明，gamma辐射对PMMA材料的性能产生了显著影响，这些影响不仅限于材料的表面特性，还可能涉及材料的内部结构和电子行为。通过实验与理论的结合，研究能够全面评估PMMA在gamma辐射下的行为，并揭示其分子层面的变化机制。这些研究结果为未来在材料科学和工程领域中进一步优化和改进PMMA材料的性能提供了重要的理论依据和实验支持。