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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smo.20230010
文章簡介 如今，計算化學(xué)已經(jīng)成為探索化學(xué)實驗中的微觀過程及熱力學(xué)機制的有力工具，例如：分子自組裝、催化反應(yīng)、有機/無機合成。隨著理論方法的發(fā)展及計算機硬件性能的飛躍，針對不同時空尺度下的模擬技術(shù)均得到快速的發(fā)展。如圖1所示，基于量子化學(xué)的密度泛函理論模擬(DFT)和從頭算分子動力學(xué)(AIMD)可以顯示電子尺度上的詳細(xì)信息。這些方法廣泛應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)機理的研究。分子動力學(xué)模擬(MD)擅長提供微觀結(jié)構(gòu)以及熱/動力學(xué)信息,其可在更大的時空尺度下采樣，以便探索分子的結(jié)構(gòu)變化、擴散、吸附及相分離等微觀現(xiàn)象的詳盡機制。動力學(xué)模擬根據(jù)模擬尺度可細(xì)分為全原子動力學(xué)模擬、粗粒度動力學(xué)模擬和介觀模擬。與MD相比，基于統(tǒng)計力學(xué)的蒙特卡羅模擬（MC）可在更大的時空尺度上進(jìn)行采樣，甚至可以解決宏觀尺度的動力學(xué)問題?；诤暧^力學(xué)理論的有限元法（FEM）可以分析宏觀尺度下的力學(xué)性能以及動力學(xué)問題。 圖1.不同尺度下的模擬方法總結(jié)示意圖
本文以聚合物與沸石合成為例，介紹了不同的模擬方法在有機/無機合成領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。并指出：無論有機還是無機合成，從反應(yīng)物到產(chǎn)物，這一過程往往涉及原子間的電荷轉(zhuǎn)移，分子內(nèi)的構(gòu)象轉(zhuǎn)變以及分子間的擴散與聚集等多個熱/動力學(xué)過程,使得單一尺度的模擬方法很難描述合成機制的全貌。因此，發(fā)展多尺度建模方法對進(jìn)一步理解化學(xué)合成機制至關(guān)重要。進(jìn)一步，從傳統(tǒng)的洋蔥方法到最前沿的深度學(xué)習(xí)勢函數(shù)方法，本文系統(tǒng)介紹了多尺度建模方法的研究進(jìn)展，并分析了上述方法的優(yōu)勢與不足。通過對以往理論工作的總結(jié)，我們可以看到，盡管多尺度建模方法取得了長足的進(jìn)步，但描述化學(xué)合成實驗中從反應(yīng)物到產(chǎn)物的完整過程仍然是極具挑戰(zhàn)的，其中反應(yīng)物的濃度、溶劑作用等一系列因素使合成機制變得異常復(fù)雜。因此，需要進(jìn)一步發(fā)展化學(xué)實驗的多尺度甚至全尺度的建模方法，這對所有的理論計算領(lǐng)域的研究人員都是不小的挑戰(zhàn)。幸運的是，隨著軟硬件的不斷發(fā)展，理論框架的逐漸完善，我們相信構(gòu)建全尺度的模擬平臺是很有可能的。在不久的將來，化學(xué)家借助全尺度的模擬平臺可以大幅度地提高合成效率。 以上內(nèi)容以“Full-scale Modelling of Chemical Experiments”為題發(fā)表于 Smart Molecules 期刊，論文第一作者為遼寧大學(xué)物理學(xué)院講師王俊峰，通訊作者為中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李國輝研究員。 通訊作者 個人主頁鏈接： http://english.dicp.cas.cn/about/people/index_21148.html
