离子水溶液的氢键网络结构和动力学研究
批准号:
12104306
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
孙兆茹
依托单位:
学科分类:
液态、准晶与非晶态物理
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
孙兆茹
中文摘要
溶液中的水合离子与生物大分子在系列生化反应中的行为密切相关,并遵循一定的离子特异性,如Hofmeister序列。但目前人们对于Hofmeister序列存在的原因尚不清楚。相关的衍射散射光谱实验、激发态光谱实验等对于溶液的研究存在较多争议,主要集中在离子对水的氢键网络结构和动力学的影响能否超出最近邻的水合层,以及溶液中结晶成核过程的微观机制等。而理论上,经验力场难以处理溶液中复杂极化环境、量子效应和氢键作用,第一性原理计算模拟大尺度溶液体系效率低。针对上述问题和困难,本项目将利用基于机器学习对溶液进行高精度高效率的深度势能分子动力学模拟,其深度学习力场来自于训练第一性原理计算的数据,重点探讨离子对水的结构影响的作用范围,以及对水的动力学性质的影响。该项目将为解释实验现象和阐明争议问题提供理论基础,并为进一步分析多种类阴阳离子之间的协同效应、设计海水净化功能材料等提供有意义的参考。
英文摘要
In solution, hydrated ion plays a critical role in the behavior of biomolecules in various biochemical processes, which follows ion-specific series, such as the Hofmeister series. However, our knowledge of the Hofmeister series at the molecular level remain elusive, especially the anomalies and cation-anion cooperativity, etc. There are still some controversies in recent scattering and diffraction spectroscopy experiments of aqueous solutions, mainly in the extent to which structural changes extend outside the first solvation shell, as well as the mechanism of nucleation and crystallization processes. Theoretically, classical force field hardly deals with complex polarized environment, quantum effects and hydrogen bonding. Meanwhile, the computational cost of ab initio calculation limits its application to large aqueous system. To address the above issues, we will employ the machine learning method to perform accurate and efficient deep-potential molecular dynamics simulations of solution, where the deep learning force field is obtained by training results from ab initio calculation. We will focus on the understanding the local and global effect of ions on the structure and dynamics of water. This project will explain experimental observations, clarify previous controversies, and provide helpful results for further understanding of cation-anion cooperativity and water desalination material design.
作为细胞液和生命体液的重要组成部分,水中的无机盐离子在生化反应中发挥着关键作用。Hofmeister 序列常用于解释溶液中离子特异性,并广泛应用于生物、化学和物理等诸多领域。然而,许多实验现象仍缺乏明确的微观机理解释,其主要挑战在于第一性原理模拟水溶液时受限于时间尺度和空间尺度。本项目采用深度势能分子动力学(DPMD)方法,针对水及其溶液体系,开发并训练了高精度、高效率的新型力场。该力场在精度上达到第一性原理计算水平,并能够在包含数千个原子的体系中实现超过 100 ns 的分子动力学模拟。此外,本项目构建了力场自动化训练流程,使得针对多种水溶液体系的高效、自动化力场训练成为可能。基于此高精度力场,本项目对 NaCl、MgCl₂/MgBr₂及碳酸溶液等体系进行了模拟研究,深入探讨了离子-水相互作用、离子传输及反应动力学等科学问题。研究发现了meta-GGA与TS-vdW 描述离子的差异性、电子结构与溶剂化环境的依赖性,为从第一性原理视角理解水溶液的微观图像提供了新的理论指导。
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