《複雜化學體系非平衡路徑採樣方法的發展與套用》是依託中國科學技術大學，由侯中懷擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：複雜化學體系非平衡路徑採樣方法的發展與套用
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：侯中懷
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
表面、軟物質以及生命體系中許多重要過程的發生，往往需要經歷跨越某種勢壘的重要的稀有事件,發展和套用統計力學方法，從理論上對這些稀有事件的具體路徑進行研究，對充分認識非平衡態態轉變過程的內在動力學機理和調控機制具有十分重要的意義。本項目將以表面材料生長成核、蛋白質構象轉變和活性膠粒結晶等過程為主要對象，結合分子動力學和統計力學原理，發展和套用非平衡轉變路徑採樣方法，研究複雜化學體系中非平衡稀有事件發生的動力學機制。本項目的研究，對推動理論化學新方法的發展，促進物理化學與統計物理、生物、材料等學科的交叉，深入理解表面材料生長的成核動力學，揭示活性軟物質自組裝及生物大分子構象轉變機制等，做出重要貢獻。
結題摘要
本項目主要致力於結合分子動力學和統計力學原理，發展和套用非平衡轉變路徑採樣方法，以表面材料生長、蛋白質構象轉變和活性膠粒結晶等過程為主要對象，研究複雜化學體系中非平衡稀有事件等的動力學機制。項目執行期間，在自最佳化非平衡路徑採樣新方法發展、蛋白質拉伸路徑採樣、表面石墨烯生長、針尖增強電催化反應、活性粒子結晶過程等方面取得若干重要進展，共發表基金標註SCI論文23篇。 1. 自最佳化非平衡路徑採樣新方法 發展了一種通過局域動力學信息自適應確定界面的自最佳化路徑採樣方法，可以在不損失計算精度的情況下大大提高採樣效率，並自動搜尋出轉變路徑中可能存在的中間亞穩態。揭示了蛋白分子Protein L在外力下解摺疊動力學的雙路徑機理，解釋了解摺疊速率隨拉力非單調變化的現象（PCCP2014）。 2. 大尺度石墨烯生長動力學的理論計算 提出一中粗粒化的生長動力學模型，實現大尺度石墨烯生長動力學模擬，重現了實驗觀察到的複雜的石墨烯空島生長行為，揭示了生長邊界上幾何決定的生長決速步轉變（JCP2015）。 3. 針尖增強二氧化碳還原反應的理論計算與機理 建立了一種涵蓋吸脫附、表面擴散、二氧化碳相關還原反應及局域場致物質輸運的統計力學模型，由體系的自由能泛函出發推導出體系時空動力學演化滿足的動力學方程，該模型很好的還原了實驗現象並發現針尖增強的二氧化碳還原反應強烈依賴於場致輸運及表面吸附等動力學因素，為進一步提高體系的催化速率和效率提供了新的方向（Angew. Chem. Int. Ed. 2017）。 4. 平衡與非平衡膠粒體系結晶中的流體力學作用 採用多粒子碰撞動力學結合分子動力學的模擬算法，發現體系處於平衡狀態時，流體力學作用對終態沒有影響，加快了體系趨於平衡態終態的動力學過程；體系非平衡時，流體力學作用使結晶化轉變點增大，從而使得體系結晶更加困難（Soft Matter 2015）。 5. 流體環境中活性細胞運動的群體動力學手性 結合格子波爾茲曼方法與郎之萬動力學模擬，發現活性細胞可通過流體環境的長程作用，自發產生從無手性態到群體動力學手性的轉變。此外，體系還可產生動力學手性震盪、旋轉結晶態、結晶態等豐富的群體動力學自組裝行為。我們的研究對理解和認識流體力學相互作用在動力學手性形成過程中的作用提供了幫助（Soft Matter 2017）。
