分子模拟提供了超越直接实验测量的化学过程的深刻见解，为加速分子和材料的发现带来了重大希望。在本文集中，编辑重点介绍了最近发表在《自然通讯》杂志上的一些计算研究，包括计算化学方法的进展、材料建模的应用，以及可转移到新的化学过程和系统的机器学习模型的进展。
今天，我们一起来回顾一下材料建模的计算化学的最新进展的前一部分。本篇还有后半部分会在下周发出哦，您如果还有继续阅读的兴趣，请耐心等待哦~
近几十年来，在理解和控制相对运动中表面之间的摩擦方面取得了巨大的进展。然而，所涉及的过程的复杂性质迫使这项工作的大部分是经验性的。两个非常独特的物理系统，坚硬的二维层状材料和软微观系统，如光学或地形捕获胶体，最近开辟了新的合理设计的摩擦学领域的研究路线，导致了许多新发现。在此，来自意大利国际高等学校的Andrea Vanossi & 德国康斯坦茨大学的Clemens Bechinger & 以色列特拉维夫大学的Michael Urbakh，提供了这些新兴的研究方向的概述，并讨论了软硬物质之间的相互作用如何促进人类对摩擦现象的理解。参考文献：Vanossi, A., Bechinger, C. & Urbakh, M. Structural lubricity in soft and hard matter systems. Nat Commun 11, 4657 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-18429-1原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18429-1#citea
研究极端条件下水中的盐分对于理解地球中含水流体的性质是至关重要的。在此，来自美国芝加哥大学的 Giulia Galli等人，报告了在与地球上地幔有关的温度和压力下，NaCl处于稀释极限下的第一性原理(FP)和经典分子动力学模拟。与环境条件相似，研究者观察到盐的两种亚稳态：接触(CIP)和溶剂共享离子对(SIP)，它们分别在熵和焓上是有利的。研究发现，在极端条件下，CIP和SIP最小值之间的自由能势垒增加，在FP模拟中，CIP的稳定性增强，与水的介电常数降低一致。参考文献：Zhang, C., Giberti, F., Sevgen, E. et al. Dissociation of salts in water under pressure. Nat Commun 11, 3037 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16704-9原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-16704-9#citea
氧化石墨烯是二维材料中的一颗新星，但它与液态水的相互作用仍然是一个基本的开放问题:在原子尺度上的实验表征是困难的，而且用经典方法建模也不能恰当地描述化学反应。在此，来自法国巴黎高等师范学院的Marie-Laure Bocquet等人，通过第一性原理在液态水中的氧化石墨烯(GO)分子模拟，在简单的计算模型和复杂的实验系统之间架起了一座桥梁。研究者建立了精确的化学氧化石墨烯模型，并研究了它们在水中的行为，结果显示含氧官能团(羟基和环氧化物)优先聚集在石墨烯的氧化层上。该结果突出了自适应算法的潜力，可用于当前和近期的量子硬件进行精确模拟。研究者展示了氧化石墨烯在水中的特殊性质，一种不寻常的亲水性和快速水动力学的结合。最后，研究者证明氧化石墨烯在水中具有化学活性，平均负电荷为10 mC-2。从头算模型突出了可作为海水淡化和水净化创新膜应用的氧化石墨烯结构的独特性。
参考文献：Mouhat, F., Coudert, FX. & Bocquet, ML. Structure and chemistry of graphene oxide in liquid water from first principles. Nat Commun 11, 1566 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15381-y原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15381-y#citea疏水-水界面明显负电荷的起源已经在物理化学界引发了几十年的争论。最常见的解释是带负电荷的氢氧根离子(OH -)与界面紧密结合。在此，来自以色列国际理论物理中心的Emiliano Poli & Ali Hassanali等人，利用第一性原理计算了气-水、油-水扩展界面，研究者阐明了一种不需要OH-存在的机制。氢键上的少量电荷转移和氢键网络中由于拓扑缺陷的不对称会导致两个界面表面负电荷的积累。对于靠近油的水，也观察到一些电子密度泄漏到油相。计算出的两界面表面电荷密度约为- 0.015 e/nm2-0.015 e/nm2，与电泳实验一致。此外，研究还表明，使用能量分解分析，这一现象的电子起源植根于集体极化/电荷转移效应。参考文献：Poli, E., Jong, K.H. & Hassanali, A. Charge transfer as a ubiquitous mechanism in determining the negative charge at hydrophobic interfaces. Nat Commun 11, 901 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-14659-5原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-07298-4#citea超分子组装由于其与天然酶高效催化反应的能力而获得了极大的关注。在此，来自美国加州大学伯克利分校的Teresa Head-Gordon等人，利用分子动力学，确定了超分子胶囊Ga4L612-催化金配合物还原消除反应的起源，并评估了它们与天然酶的相似性。通过比较催化反应和非催化反应中反应物的自由能和跃迁态，研究者确定了包覆水分子产生的电场对活化能的降低贡献最大。虽然这不同于通过直接的主-客体相互作用的仿生催化，但纳米层的电场也支持过渡态，以更大的催化效率完成还原消除反应。然而，也有研究表明，纳米结构不能很好地组织界面水，从而产生了与基底断裂键不一致的电场，从而为改进纳米结构组件的催化设计提供了新的机会。参考文献：Welborn, V.V., Li, WL. & Head-Gordon, T. Interplay of water and a supramolecular capsule for catalysis of reductive elimination reaction from gold. Nat Commun 11, 415 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-019-14251-6原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-14251-6#citea阐明了软多孔晶体中随尺寸变化自发相分离的热力学判据
软多孔晶体由于其在不同晶相间的诱导和可调谐变形，在作为功能性纳米孔材料方面具有巨大的潜力。这些大振幅的相变通常被假定在整个材料中协同发生，从而保持其完美的晶体秩序。在此，来自比利时根特大学的Veronique Van Speybroeck等人，通过基于中尺度第一性原理的分子动力学模拟来反驳了以上的范式，证明形态转变确实会在界面缺陷的形式下导致空间无序，并在给定的样品中导致尚不确定的相共存。 研究者假设，这种相共存可以通过仔细调整实验控制变量来稳定，例如，温度或压力淬火。观察到的空间无序有助于使SPCs中难以捉摸的现象合理化，例如晶体尺寸减小对其柔性特性的影响，从而确定晶体尺寸作为基于SPC纳米颗粒和薄膜的刺激响应器件的关键设计参数。参考文献：Rogge, S.M.J., Waroquier, M. & Van Speybroeck, V. Unraveling the thermodynamic criteria for size-dependent spontaneous phase separation in soft porous crystals. Nat Commun 10, 4842 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-12754-w原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-12754-w#citeas
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