春暖花開，萬(wàn)物復(fù)蘇，一切都是欣欣向榮的樣子。萬(wàn)物更迭，科研工作當(dāng)然也不例外，蟄伏了一個(gè)冬季，讓我們也來(lái)看看科研工作者的最新動(dòng)態(tài)吧。

1.Nature Communications：用非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬化學(xué)燃料分子發(fā)動(dòng)機(jī)

大多數(shù)分子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬，都是在平衡條件下進(jìn)行的——在一個(gè)封閉、孤立的系統(tǒng)中，或者在一個(gè)恒溫、恒壓的系統(tǒng)中。有時(shí)，在這些模擬中引入額外的張力、剪切力或溫度梯度，以探測(cè)對(duì)外力的一種非平衡響應(yīng)。然而，催化劑和分子馬達(dá)的作用是基于化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力所引起的非平衡動(dòng)力學(xué)。在此，來(lái)自美國(guó)西北大學(xué)的Todd R. Gingrich等研究者，開發(fā)了這樣一個(gè)動(dòng)態(tài)方案，并使用它來(lái)觀察一個(gè)基于粒子的鏈狀分子馬達(dá)經(jīng)典模型的循環(huán)。分子馬達(dá)，通常用詳細(xì)的打破平衡的馬爾可夫模型建模，研究者通過(guò)粗粒度的微觀動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)構(gòu)建這樣的圖像，以便提取速率。這項(xiàng)工作確定了粒子間的相互作用，這些相互作用可以調(diào)節(jié)這些速率，從而產(chǎn)生一個(gè)功能馬達(dá)，從而產(chǎn)生一個(gè)計(jì)算場(chǎng)，以研究分子信息棘輪中方向偏差、電流產(chǎn)生和耦合強(qiáng)度之間的相互作用。

參考文獻(xiàn)：

Albaugh, A., Gingrich, T.R. Simulating a chemically?fueled molecular motor with nonequilibrium molecular dynamics.?Nat Commun?13,?2204 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29393-3

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29393-3

2.Nature Communications：動(dòng)態(tài)超分子聚合物復(fù)雜系統(tǒng)中的分子通信

超分子聚合物，由非共價(jià)自組裝的單體組成，在彼此之間以及與周圍溶液的連續(xù)通信中產(chǎn)生一維纖維分布。纖維、交換分子種類和外部環(huán)境，構(gòu)成了一個(gè)單一的復(fù)雜系統(tǒng)，其內(nèi)在動(dòng)力學(xué)很難闡明。在此，來(lái)自意大利都靈大學(xué)的Giovanni M. Pavan等研究者，報(bào)告了粗粒度的分子模擬，可研究熱力學(xué)平衡的超分子聚合物，明確地顯示這些系統(tǒng)的復(fù)雜性質(zhì)，這是由精巧的動(dòng)態(tài)分子實(shí)體組成。對(duì)分子交換的詳細(xì)研究，為控制分子間相互交流的關(guān)鍵因素提供了見(jiàn)解，并定義了系統(tǒng)的平衡動(dòng)力學(xué)。利用極簡(jiǎn)和精細(xì)的化學(xué)相關(guān)分子模型，研究者觀察到，在這種自組裝系統(tǒng)中，存在著一種固有且豐富而協(xié)調(diào)的復(fù)雜性。這為超分子聚合物系統(tǒng)提供了一種新的動(dòng)態(tài)和概率(而不是結(jié)構(gòu))的圖像，在該系統(tǒng)中，移動(dòng)的分子種類，連續(xù)地塑造了在平衡狀態(tài)下統(tǒng)計(jì)上出現(xiàn)的集合。

參考文獻(xiàn)：

Crippa, M., Perego, C., de Marco, A.L.?et al.?Molecular communications in complex systems of dynamic supramolecular polymers.?Nat Commun?13,?2162 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29804-5

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29804-5

3.JACS：四氫大麻酚生物合成中隧道效應(yīng)和隱藏中間體的計(jì)算證據(jù)

在此，來(lái)自美國(guó)紐約市立大學(xué)的Edyta M. Greer & 哥倫比亞大學(xué)的Charles Doubleday等研究者，對(duì)反應(yīng)序列進(jìn)行了量子隧穿計(jì)算，該反應(yīng)序列模擬了大麻酚酸1的鄰醌甲基轉(zhuǎn)化為脫羧產(chǎn)物(?)-反式-Δ9-四氫大麻酚(THC,?3)。該計(jì)算是該序列中第一個(gè)評(píng)價(jià)多維隧道的計(jì)算。利用POLYRATE和GAUSSRATE以及B3LYP/6-31G(d,p)進(jìn)行了計(jì)算，以研究THC?3的形成機(jī)制。將THC?3上的戊基鏈及其前體替換為甲基，計(jì)算四個(gè)單獨(dú)步驟的隧道效應(yīng)：(i)甲基醌與香葉酰1Z-CH3的三取代烯烴端基Diels-Alder初始反應(yīng)生成2Z-CH3，(ii)酸催化的酮-烯醇異構(gòu)化，將2rZ-CH3轉(zhuǎn)化為4rZ-CH3，(iii)羧基旋轉(zhuǎn)化，將4rZ-CH3轉(zhuǎn)化為4E-CH3，以及(iv)將4E-CH3轉(zhuǎn)化為3-CH3的脫羧作用。

在293 K時(shí)，隧道效應(yīng)對(duì)步驟(i)-(iv)的速率常數(shù)的貢獻(xiàn)在19到76%之間。在步驟(ii)中，零點(diǎn)振動(dòng)能沿反應(yīng)路徑的不均勻變化造成了0 K自由能的淺最小值。它是一種隱藏的中間體，因?yàn)樗趧?shì)能面上不是最小值，只有考慮到反應(yīng)路徑上的零點(diǎn)能量時(shí)才可檢測(cè)到。預(yù)測(cè)的動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)，將在實(shí)驗(yàn)中觀察到的溫度方便使用。這在反應(yīng)序列的脫羧階段尤其相關(guān)，由于其在THC?3形成中的作用，具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

Edyta M. Greer, Victor Siev, Ayelet Segal, Alexander Greer, and Charles Doubleday.?Computational Evidence for Tunneling and a Hidden Intermediate in the Biosynthesis of Tetrahydrocannabinol.?Journal of the American Chemical Society?Article ASAP DOI: 10.1021/jacs.1c11981

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c11981

4.JACS：基于帶邊能量位置的熱電半導(dǎo)體的高通量篩選

半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型，在許多領(lǐng)域(如光伏、晶體管、熱電等)都是至關(guān)重要的，但到目前為止，還沒(méi)有一種有效、簡(jiǎn)單的指標(biāo)，來(lái)快速判斷或預(yù)測(cè)各種半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。在此，來(lái)自上海大學(xué)的Jiong Yang & 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的Pengfei Qiu & Xun Shi等研究者，基于帶電缺陷的形成能與費(fèi)米能級(jí)之間的關(guān)系，提出了一種簡(jiǎn)單、低成本的策略，以能帶邊緣的能量位置為指標(biāo)，從材料數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選潛在的n型或p型半導(dǎo)體。作為一個(gè)案例研究，研究者驗(yàn)證了該策略在從含銅的金屬硫族化合物中尋找潛在的n型熱電材料。從407個(gè)含cu的金屬硫族化合物中，成功地篩選出了一種新的熱電材料CuIn5Se8，并在隨后的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。CuIn5Se8中摻雜碘后，在850k時(shí)熱電系數(shù)峰值z(mì)T為0.84。除了熱電，本研究提出的策略，也闡明了在光伏、晶體管和其他領(lǐng)域具有理想傳導(dǎo)類型的新材料的開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

Yifei Xiong, Yeqing Jin, Tingting Deng, Kaili Mei, Pengfei Qiu, Lili Xi, Zhengyang Zhou, Jiong Yang, Xun Shi, and Lidong Chen, High-Throughput Screening for Thermoelectric Semiconductors with Desired Conduction Types by Energy Positions of Band Edges.?Journal of the American Chemical Society?Article ASAP DOI: 10.1021/jacs.1c13713

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c13713

5.npj Computational Materials：從構(gòu)型熵的角度預(yù)測(cè)合金化合物的晶格導(dǎo)熱系數(shù)

準(zhǔn)確評(píng)價(jià)晶格的熱導(dǎo)率，通常是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，從理論方面，特別是對(duì)分?jǐn)?shù)化學(xué)計(jì)量的合金體系。在此，來(lái)自武漢大學(xué)的Huijun Liu等研究者，以四晶族為例，利用構(gòu)型熵的概念，提出了一種可靠的方法來(lái)快速預(yù)測(cè)任意組分下的晶格熱導(dǎo)率。不需要進(jìn)行費(fèi)時(shí)的第一性原理計(jì)算，任何合金四元化合物的晶格熱導(dǎo)率，都可以用整數(shù)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，從幾個(gè)樣品中很容易地得到。結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，顯示了較強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力。原則上，這種有效的方法，可以適用于任何其他材料族，這對(duì)具有理想熱導(dǎo)率的系統(tǒng)的高通量設(shè)計(jì)非常有利。

參考文獻(xiàn)：

Li, M., Cao, G., Luo, Y.?et al.?Predicting the lattice thermal conductivity of alloyed compounds from the perspective of configurational entropy.?npj Comput Mater?8,?75 (2022). https://doi.org/10.1038/s41524-022-00771-1

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41524-022-00771-1