秋去冬來(lái)，北風(fēng)凜冽，科研人宅在實(shí)驗(yàn)室搗鼓實(shí)驗(yàn)；

寒來(lái)暑往，四季更替，計(jì)算人貓?jiān)陔娔X前撥弄數(shù)據(jù)！

1.Nature Communications：大氣氣溶膠成核過(guò)程的全尺度從頭算模擬

大氣氣溶膠的成核，形成了全世界大約一半的云凝結(jié)核。盡管氣候的重要性，但詳細(xì)的成核機(jī)制仍然知之甚少。氣溶膠成核動(dòng)力學(xué)的理解，受到力場(chǎng)(FFs)的非反應(yīng)性和由于氣溶膠成核的罕見(jiàn)事件性質(zhì)造成的高計(jì)算成本的阻礙。由于非共價(jià)氫鍵橋接簇的尺寸范圍廣、尺寸高維的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)用于成核體系的活性FFs比開(kāi)發(fā)共價(jià)鍵連接材料更具挑戰(zhàn)性。在此，為了解決這一挑戰(zhàn)，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Shuai Jiang等研究者提出了一個(gè)通用的工作流，該工作流也適用于其他系統(tǒng)，以訓(xùn)練基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)的精確反應(yīng)性FF，并進(jìn)一步將基于DNN-FF的分子動(dòng)力學(xué)(MD)與基于反應(yīng)事件泊松分布的聚類(lèi)動(dòng)力學(xué)模型連接起來(lái)，以克服直接MD的高計(jì)算成本。研究發(fā)現(xiàn)，以往報(bào)道的酸堿形成速率往往被嚴(yán)重低估，特別是在污染環(huán)境中，強(qiáng)調(diào)在多種環(huán)境中觀察到的酸堿成核應(yīng)該重新進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)：

Jiang, S., Liu, YR., Huang, T.?et al.?Towards fully ab initio simulation of atmospheric aerosol nucleation.?Nat Commun?13, 6067 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33783-y

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-33783-y

2.npj Computational Materials：利用貝葉斯遺傳算法從電子顯微鏡圖像重建三維原子結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)

在此，來(lái)自比利時(shí)安特衛(wèi)普大學(xué)的Sandra Van Aert & 愛(ài)爾蘭都伯林大學(xué)的Lewys Jones等研究者介紹了一種貝葉斯遺傳算法，用于利用Z-對(duì)比度成像從單個(gè)投影重建單型晶體納米顆粒的原子模型。從環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡圖像中獲得的投影原子柱中的原子數(shù)作為初始三維模型的輸入。該算法利用原子計(jì)數(shù)結(jié)果和鄰質(zhì)量關(guān)系的有限精度的先驗(yàn)信息，使結(jié)構(gòu)的能量最小化。結(jié)果表明，從足夠低的入射電子劑量的圖像中獲得動(dòng)態(tài)過(guò)程中束敏納米粒子的可靠重建具有廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)：

De Backer, A., Van Aert, S., Faes, C.?et al.?Experimental reconstructions of 3D atomic structures from electron microscopy images using a Bayesian genetic algorithm.?npj Comput Mater?8, 216 (2022). https://doi.org/10.1038/s41524-022-00900-w

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41524-022-00900-w

3.JACS：共存相的化學(xué)動(dòng)力學(xué)和質(zhì)量作用

化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)是由質(zhì)量作用定律決定的，該定律已成功地應(yīng)用于均勻、稀釋的混合物。在非稀釋條件下，組分之間的相互作用可以產(chǎn)生共存相，這可以顯著改變化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。在此，來(lái)自德國(guó)馬克思普朗克研究所的Frank Jülicher &?德國(guó)奧格斯堡大學(xué)的Christoph A. Weber等研究者，推導(dǎo)出了相平衡共存相的化學(xué)反應(yīng)理論。研究者證明了相平衡將組分的化學(xué)反應(yīng)速率與它們?cè)谙嘀g的擴(kuò)散交換耦合起來(lái)。值得注意的是，在相圖中，化學(xué)弛豫動(dòng)力學(xué)可以表示為沿著相平衡線(xiàn)的流動(dòng)。該理論的一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是共存相之間反應(yīng)速率的差異，完全源于相相關(guān)的反應(yīng)速率系數(shù)。該理論是解釋合成和生物系統(tǒng)中縮合相中活性組分的濃度水平如何控制化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

Jonathan Bauermann, Sudarshana Laha, Patrick M. McCall, Frank Jülicher, and Christoph A. Weber.?Chemical Kinetics and Mass Action in Coexisting Phases.?Journal of the American Chemical Society?Article ASAP DOI: 10.1021/jacs.2c06265

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c06265

4.ACS Catalysis：多尺度DFT/MD模擬混合溶劑中酸催化醇脫水動(dòng)力學(xué)

酸催化乙醇脫水是生物質(zhì)升級(jí)的關(guān)鍵反應(yīng)步驟，混合水溶劑對(duì)其動(dòng)力學(xué)有顯著影響。計(jì)算模型可以為催化中的溶劑化效應(yīng)提供基礎(chǔ)的理解，并最終為優(yōu)化反應(yīng)性和選擇性提供預(yù)測(cè)工具。在此，來(lái)自美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的Michael J. Janik等研究者，采用密度泛函理論(DFT)和經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)(MD)相結(jié)合的多尺度方法研究了混合溶劑(DMSO/GVL/MeCN)對(duì)t-丁醇和果糖酸催化脫水動(dòng)力學(xué)的影響。研究者確定了混合溶劑中過(guò)剩質(zhì)子(即催化劑)的熱力學(xué)穩(wěn)定形式。在水/GVL和水/MeCN混合物中，多余的質(zhì)子位于水簇(H5O2+)上。在水/DMSO中，它在散裝水/DMSO混合物中形成DMSO-H3O+團(tuán)簇，但當(dāng)靠近酒精反應(yīng)物時(shí)，它以H5O2+的形式出現(xiàn)。研究者用DFT模擬了E1在t-丁醇和果糖上的脫水機(jī)理，然后用MD對(duì)每個(gè)反應(yīng)中間體和過(guò)渡態(tài)進(jìn)行溶劑化，繪制了不同溶劑組成下的基本步驟反應(yīng)自由能分布圖。研究者的預(yù)測(cè)與Mellmer等人的結(jié)果比較良好。《自然·催化》2018,1,199 - 207和《自然·通訊》20119,10,1-10，均為AIMD測(cè)量的反應(yīng)自由能曲線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)速率常數(shù)。通過(guò)解耦氣相和溶劑化自由能，該計(jì)算提供了在絕對(duì)自由能尺度上溶劑化效應(yīng)的清晰解釋?zhuān)⑦M(jìn)一步將這些效應(yīng)解卷積為直觀的近距離電子和遠(yuǎn)距離靜電相互作用。此外，該方法揭示了圍繞反應(yīng)中間體和過(guò)渡態(tài)的溶劑結(jié)構(gòu)?？蓴U(kuò)展DFT/MD方法提供了一個(gè)潛在的強(qiáng)大工具來(lái)預(yù)測(cè)縮合相的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，以及對(duì)催化中的溶劑化效應(yīng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和能量理解。

參考文獻(xiàn)：Bolton Tran, Scott T. Milner, and Michael J. Janik. Kinetics of Acid-Catalyzed Dehydration of Alcohols in Mixed Solvent Modeled by Multiscale DFT/MD.?ACS Catalysis?0,?12 DOI: 10.1021/acscatal.2c03978

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c03978

5.ACS Catalysis：了解過(guò)渡金屬表面糠醛加氫反應(yīng)的活性趨勢(shì)

糠醛加氫制糠醇是生物質(zhì)穩(wěn)定化的重要工業(yè)反應(yīng)。氫化過(guò)程主要是由鉻基材料催化的，而鉻基材料因其毒性而臭名昭著，因此強(qiáng)調(diào)了尋找替代催化劑材料的必要性。此外，對(duì)過(guò)渡金屬表面糠醛加氫機(jī)理的認(rèn)識(shí)還存在空白。在此，來(lái)自丹麥技術(shù)大學(xué)的Nitish Govindarajan等研究者，結(jié)合密度泛函理論計(jì)算和微動(dòng)力學(xué)模型研究了糠醛在階梯式(111/0001)和階梯式(211)過(guò)渡金屬表面加氫制糠醇的反應(yīng)機(jī)理。研究者發(fā)現(xiàn)，糠醛加氫的速率決定步驟取決于金屬的性質(zhì)，其中強(qiáng)結(jié)合金屬受產(chǎn)物(糠醇)解吸的限制，而中等和弱結(jié)合金屬受涉及表面加氫或H2活化的步驟的限制。研究者表明，糠醛結(jié)合能是一個(gè)很好的描述物，可以合理預(yù)測(cè)糠醛醇生產(chǎn)的活性趨勢(shì)。在本研究研究的金屬和大塊/單原子合金表面中，研究發(fā)現(xiàn)Cu基合金是最活躍的催化劑，而富Cu-CuNi合金被預(yù)測(cè)為糠醛加氫的有前途的候選人。

參考文獻(xiàn)：

Sihang Liu, Nitish Govindarajan, and Karen Chan.?Understanding Activity Trends in Furfural Hydrogenation on Transition Metal Surfaces.?ACS Catalysis?2022?12?(20), 12902-12910 DOI: 10.1021/acscatal.2c03822

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c03822