材料科学的分子模拟特刊

特刊介绍

虽然在生命科学和材料科学中追求分子模拟的精度和效率方面所面临的基本挑战是相同的，由于所研究对象的多样性以及热力学条件的广泛性，材料科学中的分子模拟存在着一些特殊问题。材料科学研究的对象包括流体、聚合物、液晶、胶体、凝胶、颗粒、金属、合金、半导体、硅酸盐、氧化物、粘土和矿物质，而材料的热力学性质、输运性质和机械性质在很大程度上取决于材料成分、温度和压力等条件。由于这些特殊考量，作为分子模拟基础的分子间相互作用模型是多样的，同时经常需要开发新的可以高效获得具有统计意义结果的模拟方法。

分子模拟是一项相对较新的技术，现在也仍处于快速发展之中。近十年来，采样技术、相互作用模型以及分子模拟技术的诸多应用都取得了重大进展。本期特刊着重介绍了材料科学中的分子模拟研究的进展。我们邀请了来自世界各地的专家介绍他们在材料相关领域的理论、方法、相互作用模型和应用等方面的最新研究成果。我们希望本期特刊能够对材料科学中的分子模拟研究的现状进行概括性的总结，并推动这一令人振奋的前沿领域进一步向前发展。

图文解析

简单的配体改变调控钌配合物催化还原 CO ₂ 的活性：硼基配体的对位效应和 Ru ― H 键的性质 [ 论文 ]

刘甜 , 黎军 , 刘维佳 , 朱育丹 , 陆小华

2018, 34 (10): 1097-1105.

DOI: 10.3866/PKU.WHXB201712131

简评： 本文利用硼基配体强对位效应对高活性 CO ₂ 催化加氢催化剂 Ru(PNP)(CO)H ₂ 进行简单配体改变，设计了两种催化剂 Ru(PNP)(CO)HBcat 和 Ru(PNP)(CO)HBpin ，并利用量子化学计算预测 Ru(PNP)(CO)HBcat 和 Ru(PNP)(CO)HBpin 含有比 Ru(PNP)(CO)H ₂ 更活泼的活性氢，其活化 CO ₂ 的能垒较 Ru(PNP)(CO)H ₂ 分别下降了 4.6 kJ·mol ^{− 1} 和 5.9 kJ·mol ^{− 1} 。

计算溶液中激发光谱的高效方法：一种选择代表性溶质构象并减少显示溶质分子的方法 [ 论文 ]

XUE Bai, CHEN Tiannan, SIEPMANN J. Ilja

2018, 34 (10): 1106-1115.

DOI: 10.3866/PKU.WHXB201701083

简评： 在显示溶剂模型模拟中，利用溶质分子基态与激发态与溶剂分子的库伦能作用之差作为指标，筛选出模拟过程中对激发光谱贡献较大的构象。

采用优化的 DFTB 参数对铜 (111) 表面碳二聚化的分子动力学研究 [ 论文 ]

殷迪 , 邱宗仰 , 李湃 , 李震宇

2018, 34 (10): 1116-1123.

DOI: 10.3866/PKU.WHXB201801151

简评： 简单的零温计算往往无法准确地刻画高温反应，而直接进行第一性原理分子模拟又过于昂贵。李震宇等人通过拟合基于密度泛函理论的紧束缚参数，大大降低了获得能量和力所需的计算量，从而实现了通过赝动力学加速的分子动力学模拟来获得铜表面碳原子高温聚合的微观机理。

乙烯碳酸酯界面结构的微观解析 [ 论文 ]

WANG Lin, XIN Liang, ISHIYAMA Tatsuya, PENG Qiling, YE Shen, MORITA Akihiro

2018, 34 (10): 1124-1135.

DOI: 10.3866/PKU.WHXB201801291

简评： 本文采用分子模拟结合和频光谱 (SFG) 的方法，在分子层面解析了常用电解液 EC 的界面构造，分析并阐明了由于 Fermi 共振导致的 SFG 光谱与 IR ， Raman 光谱中的相对峰强度的不同。本文提出的模型与方法可以有效的用于进一步的电极界面结构的解析。

气体分子在二维石墨烯纳米孔中的选择性渗透特性 [ 论文 ]

孙成珍 , 白博峰

2018, 34 (10): 1136-1143.

DOI: 10.3866/PKU.WHXB201801301

简评： 本文通过分子模拟研究了不同气体分子在石墨烯纳米孔中的渗透过程，从分子的大小与结构、纳米孔的构型以及分子与石墨烯之间的作用强度等角度揭示了分子选择性渗透的机制，为多孔石墨烯等二维材料气体分离膜的设计与应用提供理论指导。

聚合物接枝 Janus 纳米片形变的耗散粒子动力学研究 [ 论文 ]

陆腾 , 周永祥 , 郭洪霞

2018, 34 (10): 1144-1150.

DOI: 10.3866/PKU.WHXB201802122

简评： 柔性和环境响应性的引入大大扩展了 Janus 片状材料的应用范围，但也为其可控制备和应用评估造成很大困难。郭洪霞课题组利用耗散粒子动力学模拟研究了接枝改性对 Janus 片形变的影响，加深了我们对形变控制机理的认识，对设计新型功能性 Janus 材料具有重要的指导意义。

CL-20 热分解反应机理的 ReaxFF 分子动力学模拟 [ 论文 ]

任春醒 , 李晓霞 , 郭力

2018, 34 (10): 1151-1162.

DOI: 10.3866/PKU.WHXB201802261

简评： 采用 ReaxFF MD 获得 CL-20 热分解较为完整的反应路径，热分解产物 N ₂ 、 H ₂ O 、 CO ₂ 和 H ₂ 产量与爆轰实验定量吻合。发现 CL-20 低温会发生双分子反应，其笼形骨架则从 3 元环或 2 元环分解为单环吡嗪。

结合化学物种模型和分子动力学模拟计算探究十二烷基硫酸钠通过聚集途径从溶液中的分散状态到完全胶束状态的胶束形成过程的自由能变化 [ 论文 ]

YOSHII Noriyuki , KOMORI Mika, KAWADA Shinji, TAKABAYASHI Hiroaki, FUJIMOTO Kazushi, OKAZAKI Susumu

2018, 34 (10): 1163-1170.

DOI: 10.3866/PKU.WHXB201802271

简评： Okazaki 教授团队在研究表面活性剂分子水溶液里中自组装形成胶束的微观机理以及用分子模拟方法预测胶束尺度分布和临界胶束浓度方面做了长期的有意义的贡献。这篇文章通过分析所有可能形成胶束的途径的自由能变化，揭示了离子性表面活性剂水溶液的多途径自组装过程是热力学自发但动力学控速的过程。突破了文献中经常使用的所谓逐步生长机理，这对设计合理的热力学模型结合分子模拟直接预测胶束尺度分布和临界胶束浓度有着重要意义。

含偶氮苯主 - 客体复合物的光致异构化反应对结合能与几何构象的影响 [ 论文 ]

柳平英 , 刘春艳 , 刘倩 , 马晶

2018, 34 (10): 1171-1178.

DOI: 10.3866/PKU.WHXB201803024

简评： 含偶氮苯的主客体复合物是分子机器智能响应行为的核心部件，因此在分子尺度上理解偶氮苯的动态异构化过程对体系的运动行为的影响非常重要。马晶课题组基于自行发展的反应性分子动力学方法和程序，模拟了含偶氮苯封端基团的冠醚 - 二烷基铵主客体超分子体系的光致异构化过程，揭示了偶氮苯分子顺反异构化行为可有效调控主客体间的单向脱环释放行为，为研发多层次的刺激响应型分子机器或光电器件提供了理论指导。

关于副本交换分子动力学模拟复杂化学反应的研究 [ 论文 ]

辛亮 , 孙淮

2018, 34 (10): 1179-1188.

DOI: 10.3866/PKU.WHXB201803161

简评： 虽然副本交换分子动力学已经被广泛应用于研究包括蛋白质折叠在内的动力学问题，用来模拟复杂化学反应还需要解决特殊问题。主要问题是化学反应中的势能变化幅度巨大，因此温度副本交换分子动力学