《自組裝的理論與模擬》是依託復旦大學，由徐昕擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：自組裝的理論與模擬
- 依託單位：復旦大學
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：徐昕
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
自組裝在生命、材料、化學和物理等各學科中都處於極其重要的地位，它的研究不但對於理解自然界中的物質結構的形成和功能的實現具有重要意義，而且也逐漸成為新材料研發和製備的最重要手段之一。由於自組裝過程涉及多個尺度的複雜物理化學過程，其分子機制還遠遠不為人們所理解。本項目旨在建立和發展能合理描述弱（非）鍵相互作用體系的密度泛函和高效的分子模擬計算方法；在此基礎上，進一步結合蛋白質多肽或人工多肽和有機超分子自組裝的實驗，以及微孔金屬?有機骨架材料的實驗，高效準確地計算一類自組裝體系的結構、平衡與非平衡熱力學和動力學性質，闡述自組裝形成的分子機制及其功能，幫助解決與自組裝相關的重要基礎問題。力爭取得一些在學術界有影響的重要成果，以在國際上占有重要一席之地。
結題摘要
自組裝在生命、材料、化學和物理等學科中都具有其極重要的意義。針對目前自組裝在理論上存在的挑戰，本項目開展了系統的研究並取得一定進展。為了提高理論計算方法對複雜體系中的弱（非）鍵相互作用進行精確描述，課題組曾提出了新一代的高精度普適的密度泛函XYG3。在項目的支持下，進一步提出了一系列的XYG3型雙雜化泛函（xDH），如：能夠在保障計算精度的前提下使計算標度降低1-2個數量級的XYGJ-OS，長程校正的lrc-XYG3泛函，基於PBE0密度的xDH-PBE0以及無任何經驗參數的PBE-ACDH；同時還突破性地實現了xDHs的解析梯度。這些xDHs極大地改善了DFT在主族元素化合物所生成焓、鍵能、反應能壘、幾何構型以及弱（非）鍵相互作用等方面的缺陷。提出了擴展的ONIOM方法XO和混合基組的方法DCMB，使我們有能力將高等級的計算方法運用在複雜大體系。為自組裝所涉及的電子結構問題的研究提供了新契機。為進一步理解自組裝過程的溶劑化效應，套用全原子分子動力學模擬研究了離子與水的相互作用，從理論上合理地解釋了已知的無機鹽實驗數據、水溶液環境下離子協同作用對水動力學的影響，為從分子原子水平研究與理解水溶液環境下的與疏水作用相關的分子自組裝提供了新的理論依據。結合新密度泛函，進一步發展了增強抽樣方法，研究了助溶劑效應對蛋白質摺疊和聚集性的影響。通過對Hofmeister序列進行深入的理論計算，首次提出陰陽離子協同性在該序列中所起的重要作用，提出氫鍵受體給體平衡的概念等，通過一個簡單、統一、可由實驗直接驗證的分子水平的理論模型解釋了蛋白質的形成、形變的機理這個困擾物理化學和生物化學界百年的問題。此外，我們從金屬-有機自組裝材料的實驗合成出發，研究了不同有機官能團與金屬離子在分子組裝過程中的配位競爭與協同關係；主-客體相互作用的調控在吸附分離、催化等方面的套用；結合理論模擬與實驗合成研究金屬-有機骨架的結構與功能等等。
