基于周期性边界条件的分块量子化学方法对液态水的从头算分子动力学模拟

本文利用分块量子化学方法,实现了在周期性边界条件下应用二阶微扰(MP2)理论对液态水的从头算分子动力学模拟. 通过采用aug-cc-pVDZ基组,MP2理论可以精确地描述水分子之间的相互作用势能面,因而在描述水的各项理化性质方面,MP2有望提供比密度泛函理论更加精确的结果. 本研究计算了多种水的结构及动力学性质,包括径向分布函数,扩散系数,偶极矩,三个临近氧原子的角度分布,氢键结构,都得到了与实验观测一致的结果. 因此,周期性边界量子分块方法可以作为一种研究水的物质结构的可靠理论方法,并且有望促进水科学领域争议性问题的解决. 同时,该方法具有普适性和可扩展性,为有效应用高精度量子化学从头算方法计算其他凝聚态体系提供了理论框架.     

乙炔高温裂解的从头算动力学模拟（英文）

本文采用了从头算动力学结合量化计算来研究乙炔的热裂解,发现了一条通过连续乙烯基卡宾加成生成苯环的机理,并和与这条路径相竞争的路径进行了对比.此外,还得到了乙烯基卡宾的寿命.     

含能材料的从头算分子动力学模拟

理解含能材料的物理化学性质、爆轰性能及分解机制,对于含能材料的分子设计、安全性评估及实际应用有着重要的指导意义。第一性原理分子动力学不但可以研究含能材料的物理化学性质,还可以用于研究含能材料的分解反应过程。本文综述了当前第一性原理分子动力学模拟含能材料的理论研究进展。首先讨论了含能材料的晶体结构和基本性质,如热学、力学、电学性质和结构的温度、压力效应。随后讨论了含能材料常压下单分子分解行为,侧重讨论了常压下含能材料的热解产物、热解机制及热解反应的动力学性质,其中含能材料的热解起始反应机制主要包括质子转移、C—N键断裂和N—NO2键断裂3种方式。同时,还对静水压、冲击波等加载条件对含能材料热解反应的影响进行了讨论,尤其是冲击波加载可能带来新的反应机制,如C—H键的断裂。     

氢催化的二硝酰胺铵热分解的从头算分子动力学研究（英文）

本文采用从头算分子动力学方法研究了一种著名的高能氧化剂二硝酰胺铵(ADN)在高温下(2000和3000 K)的热分解行为.在ADN的单分子分解中,发现了与温度有关的两种不同的引发分解机理,即分子内氢转移和N-NO_2键断裂.这两种机理在2000 K时存在竞争关系,但是在3000 K时后者是主要的分解机理.而在ADN的多分子分解中,观察到了四种受温度控制的引发分解反应.除了上述两种外,还有分子间氢转移和N-H键直接断裂.在2000 K时,N-NO_2键断裂发生的概率与其它3种相当,但是在3000 K时N-H键断裂是主要的分解通道.在引发分解发生后,发现升温可以加快反应速率,但是不会改变重要的反应特征.在氢的催化下,ADN通过简单、快速和直接的化学断裂分解为小分子,这个过程中并没有形成任何可能阻碍分解的较大中间体.在2000和3000 K时的主要分解产物相同,分别是NH_3、NO_2、NO、N_2O、N_2、H_2O和HNO_2.     

小碳团簇结构的从头算分子动力学模拟

引入第一原理密度泛函理论, 即赝势密度泛函在实空间的有限差分方法和朗之万分子动力学退火技术, 对碳团簇Cn(n=2-8)的基态结构进行了理论计算, 所得结果与其他作者的计算结果及实验数据吻合较好.     

基于面跳跃方法的半导体纳米材料从头算非绝热分子动力学研究

在光电子学应用中,器件性能主要取决于半导体纳米材料中的光生载流子动力学过程. 但是,受反应速率、材料表面积、材料组成等多种因素影响,描述其中的动力学过程非常具有挑战性. 模拟光生载流子动力学过程可以通过绝热分子动力学方法实现,即求解包含非绝热耦合项的含时薛定谔方程. 在众多绝热分子动力学方法中,面跳跃方法出色地平衡了计算精度和计算成本,因而成为描述半导体纳米材料中不同非绝热过程间竞争的有力工具,已被用来模拟材料中的超快动力学过程和其他复杂效应,如Janus过渡金属二硫族化合物范德华异质结中的电荷分离. 本综述通过介绍该领域代表性的理论及实验工作,阐述了光生载流子对半导体纳米材料性能的重要影响,以及面跳跃方法在描述其动力学行为中的重要作用. 由于日趋复杂的材料体系对理论工作提出了巨大的挑战,本综述重点介绍了最近用于模拟这些复杂材料的一些开创性的新方法,包括高精度的电子结构方法和与之相结合的绝热分子动力学方法.     

聚氨酯结构与径向分布的分子动力学模拟（英文）

采用分子动力学方法计算得到DHI-乙烯醇聚合体系统的结构和径向分布函数.讨论了系统结构和径向分布函数与温度和压力之间的关系.结果表明粘合系统的空间分布一般地随着温度和压力的增加而收窄,对增加聚氨酯系统的粘合性具有积极的意义.     

超临界水中硫酸钠结晶动力学的分子动力学模拟（英文）

在超临界水反应器中,硫酸钠是易造成堵塞的一种常见无机盐,研究其结晶动力学对于防盐沉积反应器的设计具有重要意义.本文采用LAMMPS分子动力学模拟软件研究硫酸钠在超临界水中的微观结晶过程,其中水分子采用SPC/E模型,离子-离子、离子-水分子相互作用采用Coulumb和Lennard-Jones联合势能函数.结果表明:水对离子的静电屏蔽作用随温度升高而增强、随密度减小而减弱;增大超临界水的温度和密度有利于离子扩散,进而促进离子相互碰撞、成核;在模拟的超临界水参数范围内,其成核速率的数量级为10~(29)cm~(-3)·s~(-1),生长速率为(19.8～25.8) m·s~(-1).     

NaK低激发态光谱性质和辐射寿命的从头算（英文）

本文对NaK的电子结构做了高级从头算.计算了与三个最低解离极限相关的10个Λ-S态的势能曲线.基于计算的势能曲线,得到了束缚Λ-S态的光谱常数,与实验结果吻合较好.用半经典散射理论分析了单重态基态X~1∑~+和三重态基态a~3∑~+的最大振动量子数.研究了包括跃迁偶极矩、夫兰克-康登因子和辐射寿命在内的跃迁特性.研究结果表明,这种计算方法可以为超冷碱双原子分子实验提供较为可靠的参数估计.     

铂表面甘油脱除羟基的从头算分子动力学研究

随着生物质能源的开发,从生物柴油制备中大量获取的甘油成为热门的工业原材料. 甘油可以通过氢解生成1,2-丙二醇和1,3-丙二醇两种丙二醇,这两种丙二醇都具有十分广泛的用途. 实验上报道的众多相关金属催化剂中,铂具有性质稳定、不易失活、可活化氢分子提供氢原子等优点. 此外甘油在铂上氢解生成1,2-丙二醇的选择性高于1,3-丙二醇. 本文主要利用从头算分子动力学对甘油在Pt(111)和Pt(211)表面上发生的羟基解离过程进行了模拟计算,并对比分析了其自由能的变化和表面物种结构参数的变化,得出了以下结论：(i)密度泛函理论优化气相甘油分子结构的结果显示,氢键对于气相中分子的结构与能量有较大贡献,三个羟基形成三个分子内氢键结构时甘油分子能量最低;(ii)通过比较从头算分子动力学模拟得到的自由能能垒和反应自由能,可以得出,在Pt(111)和Pt(211)表面,末端碳上的羟基比中间碳上的羟基更容易发生解离. 这表明在类似的条件下,铂作为催化剂可以为1,2-丙二醇的生产提供更高的选择性,这与文献中报道的实验结果一致;(iii)通过对从头算分子动力学模拟得到的初始吸附态和过渡态结构参数的分析,发现在羟基解离的过程中,C-C键的键长没有明显变化,而氧原子的相对位置以及氢键的长度有明显变化,且氢键长度的变化更加剧烈;(iv)通过比较从头算分子动力学研究所得的自由能能垒和结构参数的相关趋势发现,自由能能垒与初始吸附态和过渡态的氧原子间位置的变化量之间存在线性关系,而分子内氢键对自由能能垒的贡献可以忽略不计. 氧原子间位置的变化越大,自由能能垒越高.     

He-H_2S复合物的六维从头算势能面和束缚态（英文）

采用[CCSD(T)]-F12a/aug-cc-pVTZ方法,同时在基组中引入中心键函数(3s3p2d1f1g)构建了He-H_2S复合物的高精度六维势能面.除分子间振动坐标,同时考虑了H_2S分子内的v_1对称伸缩振动Q_1正则模、v_2弯曲振动Q_2正则模和v_3反对称伸缩振动Q_3正则模三种振动模式.将计算得到的六维势能面在Q_1,Q_2和Q_3方向上分别做积分得到H_2S单体分别处于振动基态、v_2和v_3激发态下的He-H_2S的三个振动平均势能面.计算结果表明,每个平均势能面都有一个T形全局极小值、一个平面局部极小值、两个平面内鞍点和一个平面外鞍点.全局极小值的几何构型位于R=3.46 A,θ=109.9~°和_(φ=)0.0°,势阱深度为35.301 cm-1.在径向部分采用离散变量表象法和角度部分采用有限基组表象法并结合Lanczos循环算法计算了He-H_2S的振转能级和束缚态.计算发现He-(par a-H_2S)在H_2S的_(v_2)和v_3区域的带心位移分别为0.025 cm~(-1)和0.031 cm~(-1),而He-(ortho-H_2S)的带心位移分别为0.041 cm~(-1)和0.060 cm~(-1),都表现为蓝移.     

分析复杂化学及生物体系分子动力学模拟轨迹的聚类方法（英文）

分子动力学(MD)模拟可以很好地用于揭示蛋白质等生物大分子体系在原子尺度的结构及功能的关系.分子动力学模拟通常产生海量的描述分子在模拟中运动的数据,包含很多模拟轨迹以及随时间演化的各个原子的坐标和速度等.为了从这些海量数据中获得体系的分子机制,需要发展并利用聚类算法来将这些海量数据进行归类,聚类算法通常将具有某些相似度的构象聚成一类,这些相似度可以分为两类,几何相似度以及动力学相似度.对应地,用于分析分子动力学模拟的聚类算法通常可以分为两大类:几何聚类及动力学聚类.本文列举了一系列常用的用于分子动力学模拟的聚类算法包括分裂算法,凝聚算法(单连锁,完全连锁,平均连锁,质心连锁以及Ward连锁),中心算法(K-Means,KMedoids,K-Centers及APM),密度算法(邻居算法,DBSCAN,密度-峰及Robust-DB算法),谱算法(PCCA, PCCA+)等.本文讨论了几何分类和动力学分类的不同点以及不同算法的性能.另外注意到并不存在某一个适用于所有MD数据的聚类算法.对于某个特定体系,选择一个合适的聚类算法取决于聚类的目的,MD构象系综的内在性质等.因此,本文的一个要点也在于介绍每个聚类算法的优缺点.期望通过本文,能够指导读者在MD模拟中选择一个合适的聚类算法.     

超快电子衍射研究分子动力学（英文）

随着超快激光、超快X射线和超快电子束技术在近年的快速发展,通过泵浦探测的方法在超快的尺度观察原子运动正逐步成为可能.本综述将讨论如何利用超快电子衍射技术探测激光激发的分子动力学过程.此技术以电子束为探针,能以飞秒量级的时间分辨率和埃量级的空间分辨率追踪激光触发的原子运动.阐述超快电子衍射技术的基本原理和最新进展,同时介绍其在研究分子动力学方面的代表性工作.这项"桌面级"的技术和X射线自由电子激光大科学装置互补,预期将在化学反应动力学领域发挥重要作用.     

乙炔高温裂解的从头算动力学模拟

本文采用了从头算动力学结合量化计算来研究乙炔的热裂解,发现了一条通过连续乙烯基卡宾加成生成苯环的机理,并和与这条路径相竞争的路径进行了对比. 此外,还得到了乙烯基卡宾的寿命.     

增强采样分子动力学模拟在生物分子研究中的进展（英文）

分子动力学模拟能够描述蛋白质分子在行使生物学功能过程中涉及的构象变化,已发展成为中物学研究中重要的计算工具.由于生物分子的构象分布存在崎岖的自由能面,在较为复杂的生物体系的模拟中,传统的分子动力学模拟的构象采样能力受到极大限制,模拟的时间尺度与真实的生物学过程之间仍存在差距.增强采样是解决这一问题的有效手段.本文综述了两类增强采样方法即约束型和无约束型增强采样算法的理论基础、最新进展及其在生物分子中的典型应用,同时也简要总结了组合型增强采样算法近些年的发展.     

基于数值模拟的SHPB实验数据处理方法（英文）

在分离式霍普金森压杆(SHPB)实验中,可以精确测得加载试件边界上的应力和速度。然而,基于这些测量结果得到一条精确的应力应变曲线有一定难度。根据SHPB实验技术的原理,有3组公式可以处理实验数据,并且3组公式都对波头的选择敏感。由于波动效应的影响以及选择波头的误差,3种方法得到的应力-应变曲线缺乏一致性。为了解决正确对齐波头的问题,编写了三波耦合法的数据处理程序。该方法基于动量守恒,可以得到更可靠的应力-应变曲线。为了证明该方法的正确性,进行SHPB的数值模拟实验。结果显示,利用这种方法可以得到唯一的应力-应变曲线。这种方法可以避免对齐波头时的误差,而传统的两波法或三波法则不能。     

氢催化的二硝酰胺铵热分解的从头算分子动力学研究

Thermal decomposition of a famous high oxidizer ammonium dinitramide (ADN) under high temperatures (2000 and 3000 K) was studied by using the ab initio molecular dynamics method.Two different temperature-dependent initial decomposition mechanisms were observed in the unimolecular decomposition of ADN,which were the intramolecular hydrogen transfer and N-NO₂ cleavage in N (NO₂)^-.They were competitive at 2000 K,whereas the former one was predominant at 3000 K.As for the multimolecular decomposition of ADN,four different initial decomposition reactions that were also temperature-dependent were observed.Apart from the aforementioned mechanisms,another two new reactions were the intermolecular hydrogen transfer and direct N-H cleavage in NH₄⁺.At the temperature of 2000 K,the N-NO₂ cleavage competed with the rest three hydrogen-related decomposition reactions,while the direct N-H cleavage in NH₄⁺ was predominant at 3000 K.After the initial decomposition,it was found that the temperature increase could facilitate the decomposition of ADN,and would not change the key decomposition events.ADN decomposed into small molecules by hydrogen-promoted simple,fast and direct chemical bonds cleavage without forming any large intermediates that may impede the decomposition.The main decomposition products at 2000 and 3000 K were the same,which were NH₃,NO₂,NO,N₂O,N₂,H₂O,and HNO₂.     

利用高分辨率光谱和从头算理论研究9-甲基蔥的大振幅运动（英文）

本文利用平行超音速射流和光频梳技术观察到9-甲基蒽(9MA)的多普勒的高分辨率和高精度光谱.CH_3内部旋转的势能曲线用六重对称正弦函数表示.之前报道的9MA-d12的势垒(V_6)远远低于9MA-h12[M.Baba,et al.,J.Phys.Chem.A 113,2366(2009)].本文对多组分分子轨道法进行从头算方法的理论计算.氘代取代势垒降低的部分原因是H和D原子核的波函数不同.     

基于参考势的从头算量子力学/分子力学混合方法研究Parvalbumin B蛋白结合钙、镁离子的选择性（英文）

蛋白的离子选择性与蛋白的功能密切相关,而离子选择性本质上来源于蛋白分子与离子结合自由能的差别.尽管近几十年来分子力场在描述蛋白体系相互作用方面取得了长足的进步,由于缺乏对静电极化和电荷转移效应显式的描述,传统的分子力场依然难以精确地描述金属蛋白体系中蛋白质与金属离子的相互作用.量子化学方法非常适合于蛋白质与金属离子之间相互作用的描述.但是在分子模拟中采用量子化学方法则太昂贵了.近年来发展起来的参考势方法在保证计算精度的前提下兼顾效率,可以有效地解决这个窘境.在这个方法中,动力学模拟的轨迹是在分子力场的精度下获得的.随后,通过从分子力场到量子化学方法的矫正,从而获得在量子化学势函数级别下的自由能信息.本文采用参考势函数方法研究了Parvalbumin B蛋白的结合口袋对钙、镁离子的选择性.计算结果表明电荷转移效应非常重要,而量子化学方法可以比较精确地预测离子的选择性.并且,量子化学区域的选择对于结果的可靠性也是非常重要的.     

基于活性网络模型的细胞组织模拟（英文）

在过去的十年中,由于细胞生物学的进步,将细胞组织作为活性物质的理论研究已经成为软物质物理学的一个新领域。本文综述了近年来基于细胞组织活性网络（AN）模型的理论进展。在介观尺度上,细胞组织的非平衡动力学主要由细胞的自我推进和其他非推进活动驱动,如主动收缩力或细胞张力/体积振荡。自推进细胞的AN模型可以再现体内细胞组织的复杂动力学,如活性/黏附驱动的固液转变、集群和活性湍流。结合细胞张力波动的AN模型还可以模拟果蝇胚胎细胞中的体积振荡波,并预测张力波动驱动的细胞组织固液转变。利用AN模型研究细胞组织的结构相变和密度涨落,加深了我们对这一独特的非平衡软物质系统的认识。