Free energy calculation of single molecular interaction using Jarzynski’s identity method: the case of HIV-1 protease inhibitor system

Jarzynski’ identity(JI) method was suggested a promising tool for reconstructing free energy landscape of biomolecular interactions in numerical simulations and experiments.However,JI method has not yet been well tested in complex systems such as ligand-receptor molecular pairs.In this paper,we applied a huge number of steered molecular dynamics(SMD) simulations to dissociate the protease of human immunodeficiency type I virus(HIV-1 protease) and its inhibitors.We showed that because of intrinsic complexity of the ligand-receptor system,the energy barrier predicted by JI method at high pulling rates is much higher than experimental results.However,with a slower pulling rate and fewer switch times of simulations,the predictions of JI method can approach to the experiments.These results suggested that the JI method is more appropriate for reconstructing free energy landscape using the data taken from experiments,since the pulling rates used in experiments are often much slower than those in SMD simulations.Furthermore,we showed that a higher loading stiffness can produce higher precision of calculation of energy landscape because it yields a lower mean value and narrower bandwidth of work distribution in SMD simulations.     

On elastocapillarity: A review

Elastocapillary phenomena involving elastic deformation of solid structures coupled with capillary effects of liquid droplets/films can be observed in a diversity of fields,e.g.,biology and microelectromechanical systems(MEMS).Understanding the physical mechanisms underlying these phenomena is of great interest for the design of new materials and devices by utilizing the effects of surface tension at micro and nano scales.In this paper,some recent developments in the investigations on elastocapillary phenomena are briefly reviewed.Especially,we consider the deformation,adhesion,self-assembly,buckling and wrinkling of materials and devices induced by surface tensions or capillary forces.The main attention is paid to the experimental results of these phenomena and the theoretical analysis methods based on continuum mechanics.Additionally,the applications of these studies in the fields of MEMS,micro/nanometrology,and biomimetic design of advanced materials and devices are discussed.     

顾及高程差异的网络差分对流层误差内插模型

在GPS网络差分定位技术中,用户站与参考站间的高程差异会引起对流层误差改正数中存在系统性偏差,造成对流层改正精度降低,影响用户定位的效果。在常规两维线性组合模型的基础上,考虑高程因素影响,利用三维位置信息对内插模型参数进行约束,将对流程延迟改正数分为距离相关和高程相关两部分,通过卡尔曼滤波器分别估计,提出了一种能修正高程偏差的对流层三维线性组合模型。以重庆连续运行参考站系统中5个站作为研究对象,实验验证结果表明,在地形起伏较大的地区,三维线性组合模型可将对流层改正精度从20～40 cm提高到5～6 cm,相对于常规方法提高了4～6倍,消除了网络差分定位中高程差引起的对流层改正系统偏差。     

渗流耦合系统动边值问题特征分数步差分方法

对多层渗流方程耦合系统动边值问题,提出适合并行计算的一类特征分数步差分格式,利用区域变换、变分形式、粗细网格配套、乘积型叁二次插值、差分算子乘积交换性、高阶差分算子的分解、先验估计的理论和技巧,得到收敛性的最佳阶l2误差估计．该方法已成功地应用到多层油资源运移聚集的资源评估生产实际中,得到了很好的数值模拟结果．     

基于PSW-DID模型的最严格水资源管理政策评估效应

水利是农业的命脉,农业节水灌溉是突破农业粮食生产的水资源瓶颈,2011年建立了最严格水资源管理制度。基于此,本文以塔里木河流域5个地州42个县市和兵团4个师为样本,使用倾向得分加权双重差分(PSW-DID)方法,从最严格水资源管理对扩大耕地灌溉面积以及促进农业发展两个方面,客观评价最严格水资源管理政策的实施效果。研究发现:(1)PSW-DID模型不仅解决了内生性问题,消除了样本选择性偏差,而且采用重叠权重实现了处理组与控制组之间的平衡,避免了PSM-DID模型中控制组样本损失,提升了估计的效率与稳健性;(2)最严格水资源管理红线的划定对耕地灌溉面积扩大有正向促进作用,政策实施效果因灌区类型、耕地类型不同而产生差异;(3)耕地灌溉面积扩大可以为最严格水资源管理政策在推动农业发展方面提供重要保障,在中型灌区实施该政策对农业生产总值的促进效果更加显著。     

上甸子区域大气本底站NO2柱浓度光谱反演及其变化特征

为了探究京津冀本底浓度地区NO₂这一重要空气污染物的变化特征,采用多轴差分吸收光谱技术（MAX-DOAS）在上甸子区域大气本底站开展了太阳散射光谱观测以及NO₂柱浓度反演研究。在NO₂的405～430nm特征谱段进行了定量光谱解析,并通过几何近似法计算了2009年7～9月NO₂对流层垂直柱浓度（VCD_trop）。观测期间NO₂ VCD_trop平均值和最大值分别为5.43×1015和7.15×1016 molec·cm-2。NO₂ VCD_trop日均值浓度水平较低,但总体上有上升趋势。NO₂ VCD_trop变化过程与风速风向关系密切：西南风时风速越小NO₂ VCD_trop越低,东北风对NO₂ VCD_trop有扩散稀释作用。NO₂ VCD_trop日变化形态总体上呈现为中午时段低、早晚较高的特征,并且傍晚峰值比早间峰值略高。上甸子站NO₂ VCD_trop浓度水平和日变化幅度相比北京城区同期观测结果明显偏小。NO₂ VCD_trop变化特征与河北香河和固城等污染相对较轻站点观测到的变化特征相一致。总之,MAX-DOAS能够有效监测区域本底大气的NO₂ VCD_trop,其变化特征与工业和交通排放、大气光化学过程、大气传输等复杂因素有关,还需积累更多数据和深入研究。     

基于先导发展模型的舰艇避雷防护评估仿真

基于先导发展模型实现了海域上地闪先导2维数值放电模拟,完成了海域上地闪先导放电通道过程的图样采集。通过建立二维舰船模型,并根据相关标准对舰船模型进行避雷针的数量、高度、位置设定,对此模型进行雷电先导放电数值试验。经大量试验统计分析,舰船采用单根避雷针设计方案时,避雷针的高度较高,使得接闪概率明显增大,但在避雷针周围取得了较理想的防护效果;与单根设计方案相比,双根避雷针设计使得舰船整体结构高度降低,总的接闪次数有所减少,防护效果更佳。该评估方法可与长间隙放电试验和雷电观测互为补充,进一步完善了水面舰艇避雷系统防护评估检验技术,为舰艇的雷电防护提供理论基础。     

热阴极径向温度非均匀性对本征发射度的影响

从热发射理论出发,推导了非均匀发射阴极的均方根本征发射度的一般计算形式。针对一种最常见的温度径向分布近似模型,给出了均方根发射度随温度非均匀性变化趋势的理论数值解。基于有限差分法粒子仿真技术统计了热阴极的本征发射度,仿真结果与理论解一致,验证了非均匀发射热阴极本征均方根发射度一般形式的正确性。结果表明,径向温度非均匀性引起均方根发射度显著变化,非均匀系数为10%时引起均方根发射度下降约15%。本文建立的理论形式和仿真方法可以有效评估束流品质控制目标和工程热设计之间的依赖关系,以指导高效费比的工程设计。     

共形单步交替方向隐式时域有限差分方法及其改进

提出了一种基于共形网格技术的共形单步交替方向隐式时域有限差分(CLeapfrog ADI-FDTD)方法。与常规FDTD方法相比,此方法能够减小由于目标边界不契合网格划分而引入的阶梯近似误差,提高算法计算不规则目标时的精度;同时算法稳定性更强,计算效率更高。由于引入共形技术后显著降低了原差分法的无条件稳定性,本文利用增长矩阵本征值方法理论分析了算法的稳定性,然后采用了一种改进的共形面积计算方法,在此基础上提出了一种稳定性更高的改进的共形单步交替方向隐式时域有限差分(ICLeapfrog ADI-FDTD)方法。数值算例验证了ICLeapfrog ADI-FDTD是一种具有高稳定性和高精度的高效算法。     

光谱编码成像系统的数据压缩技术

利用时间拉伸显微成像系统观察并记录非重复动态随机现象,在其超高成像速度和高空间分辨率下必定会产生大量的数据。一种基于差分检测和游程编码的数据压缩方法,可以有效地解决时间拉伸成像系统的数据存储问题。差分检测可以消除连续相同的信号,只检测出相邻信号的差异,从而提高游程编码算法的有效性。实验中,采用扫描频率为77.76 MHz的时间拉伸显微成像对分辨率板、人红细胞和人乳腺癌细胞线性扫描成像。实验结果表明,数据压缩比可以达到8.47,对比分析发现经过差分检测方法可以获得更高的压缩比。另外,通过计算重建后的图像与原图的结构相似性(SSIM)值发现,经过数据压缩后高质量的图像可以被重建。