含二价金属离子的8-羟基喹啉聚合物的光电性质 本研究利用计算化学方法，探讨了含8-羟基喹啉配体的金属聚合物在有机发光二极管（OLED）等光电器件中的应用潜力。研究采用密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）技术分析了这些聚合物的光电性质和电子传输特性。首先，通过量子化学参数如重组能、离子势和电子亲和能，预测了聚合物的光电行为，结果显示VQ2和FeQ2是优异的电子和空穴传输材料，而PdQ2和VQ2则为最佳的电子和空穴阻挡分子。其次，通过I-V特性和传输谱分析，发现ScQ2、TiQ2、VQ2、CrQ2和MnQ2在0-2V电压范围内具有良好的电导率，尤其是CoQ2在2V时表现出最高的电导率。相比之下，NiQ2、CuQ2、PdQ2和PtQ2的电导率较低，PdQ2最差。研究结果为下一代光电和电子器件材料的设计提供了理论依据，尤其在OLED和纳米电子器件的应用中具有重要的指导意义。(Materials Chemistry and Physics, 2022, 281: 125899. DOI:10.1016/j.matchemphys.2022.125899) 一种用于检测和筛查新冠病毒的即时护理场效应晶体管生物传感器的设计 该文献讨论了一种基于场效应晶体管（FET）的生物传感器，用于检测COVID-19抗原。传感器在目标分子（COVID-19抗原）吸附后立即发生特定的电流变化，表明其对COVID-19抗原的高灵敏度。在实验中，传感器的电子特性（如电流）因COVID-19抗原的加入而发生显著变化，证明了传感器的准确性。然而，加入狂犬病病毒（Rabies）和中东呼吸综合征病毒（MERS）并未改变传感器的电子特性，表明该传感器对COVID-19具有高度的选择性。本研究为今后的实际制造提供了良好的指导。(Scientific reports, 2023, 13(1): 4485. DOI:110.1038/s41598-023-31679-5) SARS-CoV-2原始毒株、δ型和奥密克戎变种的刺突蛋白受体结合域与人类ACE2结合能的计算：一种密度泛函理论模拟方法 该研究文章采用密度泛函理论 (DFT) 模拟方法，计算了SARS-CoV-2原始毒株、δ型和奥密克戎变种的刺突蛋白受体结合域 (RBD) 与人类ACE2受体结合的能量。通过不分解界面以包含长距离相互作用，从而提高计算精度。研究发现，原始毒株、δ型和奥密克戎变种与人类ACE2受体的结合能量分别为-4.76 eV、-6.68 eV和-11.77 eV。这表明奥密克戎变种与ACE2的结合更有利，解释了奥密克戎变种在流行病学上的优势。本研究结果为开发中和剂提供了分子基础。研究还通过能量分解方法，利用QuantumATK详细计算了各变种的结合能成分。这些发现对于理解变种病毒的感染机制和设计有效的治疗方法具有重要意义。（Advanced Theory and Simulations, 2022, 5(12): 2200337. DOI: 10.1002/adts.202200337） 基于硅纳米线场效应晶体管的生物传感器在COVID-19病毒快速检测中的应用 本文采用半经验方法设计了一种新型硅纳米线生物传感器，并研究了其电子输运特性以检测COVID-19刺突蛋白。通过结合非平衡格林函数的半经验模型研究了各种电子输运特性，如透射谱、电导和电流。此外，通过研究流感病毒、轮状病毒和艾滋病毒等其他病毒的电子传递特性，验证了所开发的传感器的选择性。结果表明，该硅纳米线生物传感器可用于新型冠状病毒的准确鉴定，具有较高的灵敏度和选择性。（Nanomaterials, 2022, 12(15): 2638. DOI:10.3390/nano12152638） 基于密度泛函理论计算的SARS-CoV-2受体结合域刺突蛋白与人类ACE2复合物的结合自由能研究 这篇研究通过密度泛函理论（DFT）计算了不同突变体的SARS-CoV-2刺突蛋白受体结合域（RBD）与人类ACE2受体的结合自由能，以探究变异株在分子层面上对病毒传染性的影响。研究的重点是计算RBD和ACE2复合物的结合自由能，并且在计算过程中考虑了长程量子力学相互作用，确保了结果的高精度。研究显示，B.1.1.7变异株（含有A570D和N501Y突变）的结合自由能是原始毒株的五倍以上，表明该变异株可能具有更强的传染性。总的来说，这项研究不仅揭示了不同SARS-CoV-2变异株与ACE2的结合差异，而且通过精确的量子计算，深化了我们对病毒变异株传染性的理解，为新型疫苗和药物的开发提供了宝贵的理论依据。（Heliyon, 2022, 8(8). DOI:10.1016/j.heliyon.2022.e10128）
双酚A−碳纳米管纳米复合材料制备的DFT预测和实验强度测试
摘要 环氧树脂及其衍生物和复合材料由于具有优异的比强度，在汽车、飞机、结构粘接、保护涂层、水过滤等领域的许多潜在应用中是优选材料。作为汽车和飞机中的结构构件，环氧基部件在其使用寿命期间暴露于各种静态/动态机械载荷条件。基体和增强体之间的界面相互作用极大地影响了复合材料的最终性能。本研究表明，用于制备复合材料的溶剂也有助于界面相互作用。本研究系统地找到了适合双酚A（BPA）环氧树脂纳米复合材料的溶剂（丙酮）和增强型多壁碳纳米管（CNT），并仔细研究了所制备的环氧-碳纳米管纳米复合材料的动态和静态强度。 理论计算 作者进行了密度泛函理论（使用QuantumATK软件）模拟，以研究和确定CNT在与丙酮分子和环氧树脂基体的界面相互作用过程中原子形态的变化。计算预测，与原始CNT相比，具有轻微缺陷的CNT更适合于纳米复合材料的合成，并且也有助于CNT在BPA中的均匀分布而不聚集（以丙酮为溶剂）。此外，还详细研究了BPA和固化剂处理后碳纳米管的结构变化以及缺陷的作用。下图是DFT研究的示意图，从原始CNT（a）开始，产生单空位缺陷（b），然后加入丙酮（c），并评估丙酮官能化的CNT（a-CNTs）（d）和BPA（e）之间的相互作用，最终将非共价连接的BPA提供给a-CNTs（f）。 下图为A-CNTs的前视图和侧视图（A，b），由丙酮官能化在前方向和侧方向上引起的键长变化（c，d），连接在A-CNTs上的BPA的前视图或侧视图（e，f），以及ECD的图谱（g）。 实验验证 在恒定的磁力搅拌条件下，将在丙酮中充分分散的CNT与BPA的酯混合。使用纳米压痕技术制备了片剂形状的样品，用于测试复合材料的静态和动态性能。观察到BPA−CNT复合材料的静态弹性模量和硬度分别显著提高了55%和22%（与原始BPA相比）。纳米复合材料的储能模量和tandelta也分别提高了14%和46%。本工作中报道的静态和动态性能的改善，显著提高了BPA−CNT基纳米复合材料在严重静态和动态负载条件下的利用范围。碳纳米管增强环氧树脂的静态和动态分析为纳米复合材料的机械性能提供了更现实的理解。 参考 Suneev Anil Bansal, Amrinder Pal Singh, Sukhbir Singh, and Suresh Kumar. Bisphenol-A-Carbon Nanotube Nanocomposite: Interfacial DFT Prediction and Experimental Strength Testing. Langmuir 2023 39 (3), 1051-1060. DOI: 10.1021/acs.langmuir.2c02723
无修饰碳纳米管的两亲性起源：作为完全可回收的油包水乳液稳定剂
背景 无修饰碳纳米管（CNT）显示出作为乳液稳定剂的潜力，能够取代水毒性小分子表面活性剂。然而，对现实 CNT 的水-固界面的理解不一致，阻碍了对其个性化的功能性、在良性介质中的可加工性以及与广泛基质的兼容性的利用。在低能耗要求下，基于水和廉价正构烷烃的纯碳纳米管加工是迈向绿色技术的重要一步。因此，有必要在从疏水性到亲水性的标尺上，定量评估各种结构化的 CNT 组分。这种结构交织特征可以导致两亲性，从而形成油包水乳液。 研究内容 作者使用精确的实验和严格的理论研究，研究了碳纳米管与水和油相相互作用的性质，对碳纳米管和碳纳米管乳液进行了全面表征，揭示了各种乳液的微观和纳米形态，建立了纯净和纯化碳纳米管乳化行为的描述方法，讨论了由纯净和纯化的多壁碳纳米管（MWCNT）稳定的水/油乳液的稳定性机制，结果还显示了两亲性强度取决于 CNT 尺寸、氧化/空位结构域以及油水比，表明了 MWCNT 可加工性的最佳值。 实验支持的量子力学计算表明，真实的 CNT 具有明确的亲水和疏水结构域，表现为具有亲水性开口端、少量氧官能化/空位表面区域、疏水性侧壁和全封闭端，这使得纯净 CNT 成为一维两亲物，能够用作完全可回收的一维表面活性剂，用于稳定水/油乳液。 研究结果证实，碳纳米管在制备聚合物、陶瓷、金属和其他复合材料中作为完全可回收一维乳化剂，有广泛的前景，应用领域包括诸如传热纳米流体、超级润滑剂、涂料、涂层、电催化剂，以及生物成像中局部治疗或造影剂的药物载体等。 计算部分 作者使用 QuantumATK 中的第一原理方法（DFT）对 CNT 与水分子和烷烃分子多种不同构型的相互作用能、电子态密度和电子分布等微观性质进行了计算，分别对比了开口/封闭以及不同尺寸的 CNT 的效果，以解释实验中观察到的亲和性趋势。 作者使用力场方法（ReaxFF）对 CNT-水-烷烃复合体系进行了分子动力学研究，分别研究了不同开口、尺寸、单壁/多壁、修饰基团等对两亲性的影响。建模时，作者采用 QuantumATK 中内置的 PackMol 工具构建了一个纳米管被足够多的水分子和烷烃分子包埋的模型。 为了研究更大体系在较长时间内的动力学特征，作者还使用了 time-stamped foce-bias Monte Carlo 方法对5 个 CNT、500 个癸烷、4000 个水分子体系进行了 33 ps 时间的动力学模拟。 参考 Blacha, A. W., et al, The Origin of Amphipathic […]
基于HRTEM探究多温度段煅后石油焦的微观结构特征演变及多尺度建模(Fuel 2022)
相关背景 煅烧是制备石墨产品的一个重要过程，煅烧后的石油焦是如锂离子电池负极、钢铁冶炼热电偶、稀土电解槽槽体和铝电解炭阳极等炭素材料的优质原料。 现有研究已表明，煅烧会使石油焦的物理和化学性质发生一系列的变化：焦体中的挥发物和水分被大量去除，导致体积收缩、密度增加；芳香烃在煅烧过程中先后经历热解、聚合和重新排列，导致导电性提高； H、O、N和S等杂质元素也可在高温下脱除，导致焦体骨架抗氧化性提高。 然而，现有的关于温度对煅烧焦的影响的研究，大多数是基于传统实验，演变规律的探究主要基于对实验结果的推测。对于不同温度段煅后焦微观结构特征的演变规律，需要通过更先进的检测方法进行深入分析。建立精确的微观模型，是进一步利用材料计算模拟方法探究微观反应机理的基础。 研究亮点 中南大学仲奇凡教授课题组基于HRTEM检测，分析了不同温度段煅后焦晶格条纹的长度、堆叠、方向和曲率的变化。发现温度在289~1873 K间，平均条纹长度、堆叠占比、45度集中分布频率和弯曲条纹占比的值分别从7.36 Å、10.26%、44.91%和58.74%变化到12.03 Å、50.63%、98.71%和36.13%。数学拟合被用来连续和定量地分析微观结构特征的变化规律。在873~1873 K的温度区间内，微观结构特征的变化规律与Logistic回归模型拟合良好。根据拟合曲线的趋势，尽管大多数微观结构特征在873 K以下经历了轻微的不良变化，但在873 K以上，微观结构特征进行了较大程度的有益演变，提高了结构有序度。此外，拟合曲线的数学方程可以可靠地计算出给定温度段下的各项特征值。 图1 基于HRTEM对多温度段煅后焦微观结构特征演变进行分析 通过HRTEM图像引导的自动化建模、AMS软件中ADF模块的结构优化和ReaxFF模块的分子动力学驰豫等方法，成功建立了煅后焦的分子尺度（约70个原子）模型、微晶尺度（3990个原子）三维模型和纳米尺度（31909个原子）三维模型。模型中的H/C比率、官能团比例、微量金属含量、真实密度和结构特征等与实际数据相似。利用ADF模块计算出煅后焦分子模型的FT-IR图谱，再利用芳香族H和脂肪族H的峰面积之比可计算出分子模型的芳香度，其值与实际检测结果相近，利用相关脚本可计算得到三维模型的XRD图谱，其特征峰位置与实际图谱基本一致。以上多方面验证证明了所建模型的合理性，这样的多尺度模型精确表征了煅后焦的微观结构，并可应用于碳材料反应过程的计算模拟研究。 参考文献 Microstructural features transformation at various temperature stages and multi-scale atomistic representations of calcined petroleum coke based on HRTEM, ZihanYou, JinXiao, QiuyunMao, XiuzhenZhang, QifanZhong, Fuel, 2022, Volume 330, 125521 感谢中南大学仲奇凡教授课题组犹子涵博士供稿！
使用ReaxFF研究交联环氧聚合物的湿热降解(ACS Appl. Polym. Mater. 2022)
概要 最近北达科他州立大学的计算科学家发表了一篇论文，介绍如何使用ReaxFF分子动力学研究受水分污染的聚合环氧树脂网络的物理和化学降解。他们展示了一种使用 ReaxFF 模拟存在水分的交联聚合物网络的方法，对计算效率有显著提高，论文“Reactive Molecular Dynamics Study of Hygrothermal Degradation of Crosslinked Epoxy Polymers”发表于ACS Applied Polymer Materials杂志。该项目的研究团队由 Bakhtiyor Rasulev 教授和 Wenjie Xia 教授领导，成员包括 Anas Karuth、Amirhadi Alesadi 和 Aniruddh Vashisth 教授。 交联环氧聚合物在各种应用场景中，经常暴露于高湿度环境，而环氧热固性树脂材料的吸水性，通常会导致其物理和机械性能的恶化。除了物理降解外，还可能发生不可逆的化学降解。作者应用ReaxFF分子动力学，对水分污染的环氧树脂的物理和化学降解进行了模拟。模拟结果表明，水分进入后，除塑化效应外，水分子与网络内的负电位点的多位点相互作用，还会使环氧树脂网络的机械性能和密度的有所恢复。此外，由于长期暴露于潮湿或由于开裂而导致的直接暴露，会导致环氧-胺网络发生不可逆的变化。应用ReaxFF 分子动力学，成功模拟出水分子的质子化，以及对环氧 – 胺网络中醚基团 C-O 键的亲核攻击。值得注意的是，模拟表明水分子对环氧网络中水解反应的选择性取决于网络的空间排列和空间位阻。 参考文献 A. Karuth, A. Alesadi, A. Vashisth, W. Xia, and B. Rasulev, Reactive Molecular Dynamics Study of Hygrothermal Degradation of […]
纤维增强复合材料的模拟
概述 由于复合材料的复杂结构和材料特性，碳纤维增强材料的测试通常比较困难。为解决这个问题，岛津公司（Shimadzu）和 Cybernet Systems 的研究人员开发了一个可以比较 CAE 分析与织物材料真实测量的工作流程。 本案例研究展示了 CAE 分析的工作流程，采用微焦X射线 CT 系统扫描碳纤维增强热塑性（CFRTP）织物材料，获得其内部结构。将扫描结构导入 Simpleware 软件重建后进行多尺度分析和微观尺度的断裂行为模拟。测试系统的实测与 CAE 多尺度分析结果的比较可论证该技术的价值。 亮点 使用 Synopsys 公司的 Simpleware 软件重建复杂复合材料的内部结构。利用 CAE 工具进行多尺度分析模拟，Sim™ 工具有助于加深对材料性能的研究。该方法有助于行业内结合测量和分析技术，从而更高效地进行材料和产品设计 介绍 用于运输的碳纤维增强材料和其他复合材料可以设计为减重和环保的复合材料。但复合材料内部结构的复杂性和材料性能的各向异性导致测试会比较困难，需要一种实际测量与仿真相结合的产品设计方法应对这一挑战，这对具有复杂材料性能和变形行为的纤维增强复合材料尤为重要。 为了解决这个问题，研究人员开发了一个包含 Simpleware 软件作为其中一环的 CAE 分析工作流程，比较CAE 分析与实际测量的结果。采用微焦 X 射线 CT 系统扫描碳纤维增强热塑性（CFRTP）织物材料获取内部结构，然后进行多尺度分析，模拟微观尺度的断裂行为。将测试系统的实测结果与 CAE 多尺度分析结果进行对比，论证该技术的价值。 微观结构的生成 为利用均质化技术预测材料的物理性能参数值，需要提供用于分析模型的微观结构形态作为已知量。使用 Ansys®的 Multiscale.SimTM 插件基于微观结构的形态参数生成模型，对默认的结构数据（模型1）和采用微焦 X 射线 CT 系统（inspeXio™ SMX™-225CT FPD HR, Shimadzu）扫描的 CFRTP 织物材料生成的结构数据（模型2）进行虚拟材料测试/数值材料测试（NMT）。 将图像数据导入 Simpleware […]
AMS在聚合物材料建模与模拟中的应用
概述 聚合物由于其形态有别于一般小分子、晶体，因此在建模、模拟以及关心的性质方面都有较大差异。 工具 聚合物建模：根据用户指定单体连接方式、配比、数量，自动生成随机结构基于QMMM等多尺度模拟方法，计算聚合物光学性质玻璃化转变温度热膨胀系数力学性质（杨氏模量、屈服点、泊松比）聚合物流体热力学性质：如气体在聚合物离子液体中的溶解度极化率、介电常数吸附、成键的化学键分析聚合反应的模拟与交联率的计算聚合物热解、生物降解模拟 聚合物建模工具：链结构定义 指定连接方式后，随机生成的聚合物模型 聚合物与小分子形成化学键 聚合物与小分子间的电子转移（红色表示失去电子，蓝色表示得到电子） 应用 聚合物离子液体的溶解度热固聚合物的玻璃化、热膨胀绝缘材料聚合物发光二极管聚合物太阳能电池离子电池新型电极材料
ReaxFF模拟碳纤维增强玻璃聚合物材料中的疲劳逆转(Carbon 2022)
聚合物复合材料中疲劳的不可逆性在材料的应用中是非常重要的问题。最近美国纽约州特洛伊伦斯勒理工学院机械航空航天与核工程系、华盛顿大学机械工程系、北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室和特洛伊伦斯勒理工学院材料科学与工程系的一项合作研究表明，可以通过分子网络的拓扑重排来逆转玻璃质聚合物的疲劳损伤。使用AMS软件的ReaxFF模块研究了这些聚合物的初始交联以及导致分子网络拓扑重排的酯交换反应。实际修复玻璃化物大约需要一个小时，这使得传统的反应分子动力学无法进行实时模拟。为了克服这个困难，Vashith实验室的研究人员使用了Bond Boost加速法（Bond Boost方法使用教程参考：https://www.fermitech.com.cn/wiki/doku.php?id=adf:bondboost）。该方法允许在真实的低温下模拟酯交换反应，这有助于模拟实验中看到的化学反应，避免不必要的高温副反应，当然对高势垒反应事件也存在应有抑制。对初始聚合物和固化聚合物的模量和玻璃化转变温度进行了表征，并与实验结果进行了比较。 上图：0%、15%和40%应变下的玻璃化物，显示出交联网络断裂； 下图：交联（左）和愈合酯交换（右）活性原子的键加速 Aniruddh Vashisth展示的真实和模拟玻璃化物 参考文献： M. Kamble, A. Vashisth, H. Yang, S. Pranompont, C. R.Picu, D. Wang, N. Koratkara, Reversing fatigue in carbon-fiber reinforced vitrimer composites, Carbon Volume 187 Pages 108-114
基于COSMO的气体在聚合物离子液体中溶解度的预测模型(Green Energy & Environment 2021)
气体在聚合物中的溶解度在加工先进高分子材料中起着重要的作用，聚合物离子液体（PILs）是一类重要的、尚未开发的聚合物。北京化工大学雷志刚教授课题组，最近在Green Energy & Environment的论文中，将不同的COSMO-RS参数与AMS软件COSMO-RS模块中的聚合物功能相结合，预测气体在标准聚合物和PIL中的溶解度。对于常规聚合物，标准COSMO-RS参数化性能最好，而对于PIL中的CO2溶解度，离子液体参数（ADF Lei 2018，见下文）的预测最为准确。 下图为COSMO-RS (ADF 2018 Lei) 预测CO2在聚合物离子液体 P([VBMTA][BF4]) 中的溶解度结果： 2018年雷志刚教授在Green Energy & Environment发表的一篇文章中，基于ADF框架对离子液体COSMO-RS参数的进行了重新参数化。训练过程使用了包括2283个无限稀释活度系数数据点和1433个从文献中收集的CO2溶解度数据点。并利用修正后的参数预测了CO2在低温（<273.2k）下在纯离子液体中的溶解度，以及CO2在宽温压范围内在混合离子液体中的溶解度。 如何使用该参数？ 在ADF的COSMO-RS模块图形界面，用户可以直接选择Method > Parameters > ADF Lei 2018： 参考文献 Ruisong Zhu, Zhigang Lei, COSMO-based models for predicting the gas solubility in polymers, Green Energy & Environment (2021) Jingli Han, Chengna Dai, Gangqiang Yu and Zhigang Lei, Parameterization of […]
基于加速反应分子动力学的柠檬酸盐聚合物生物降解模拟（J. Phys. Chem. B 2020）
具有弹性的生物可降解聚合物在组织工程领域得到了广泛的关注，而聚酯是用于制造骨组织支架的常用生物材料。最近Adri van Duin等人利用加速反应分子动力学模拟，研究了柠檬酸盐聚合物的反应性。 由于酯和乙醚水解反应的活化能垒较高，反应所需时间相对于计算机模拟时间尺度（一般在ns级别的微观时间尺度）而言非常长，因此往往需要通过特殊的方法，加速分子动力学模拟中化学反应的发生。作者在ReaxFF框架内使用了bond boost加速反应方法（参阅教程），Bond boost参数的选择是通过人为调整得到。乙醚水解比酯水解能垒高，当bond boost参数降低时，乙醚水解几乎停止。另外对聚合物进行了机械拉伸模拟，以确定其拉伸模量，显示出应变相关的行为（另见应力应变教程），发现聚酯比聚醚具有更高的韧性。 己二醇-柠檬酸与两个水分子反应的ReaxFF过渡态结构（顶部），多链聚合物束降解水解，然后施加机械应变（中间），单聚合物链降解（底部）。 参考文献： Nabankur Dasgupta, Dundar E. Yilmaz, and Adri van Duin, Simulations of the Biodegradation of Citrate-Based Polymers for Artificial Scaffolds Using Accelerated Reactive Molecular Dynamics, J. Phys. Chem. B 124, 5311–5322 (2020)