计算顶刊周报合集||Nat. Commun、JACS、ACS Catal、ACS Nano、Angew...
春暖花开，万物复苏，一切都是欣欣向荣的样子。万物更迭，科研工作当然也不例外，蛰伏了一个冬季，让我们也来看看科研工作者的最新动态吧。
1.Nature Communications：以人工智能为基础的量子动力学预测光收集复合物中激发能量转移的未来
探索集光复合体(LHCs)中的激发能转移(EET)，对于理解自然过程和设计高效光伏器件至关重要。LHCs是开放系统，量子效应对太阳能的完美利用可能起着至关重要的作用。模拟包含量子效应的能量转移，可以在耗散量子动力学(QD)的框架内进行，这些计算是昂贵的。因此，人工智能(AI)提供了一种降低计算成本的工具。在此，来自厦门大学的Arif Ullah & Pavlo O. Dral等研究者，提出了AI-QD方法，使用人工智能直接预测时间和其他参数(如温度、重组能量等)的QD，与传统的QD和递归的基于人工智能的QD方法相比，完全避免了递归逐步动力学传播的需要。该轨迹学习AI-QD方法，能够预测无限时间QD的正确渐近行为。研究者在Fenna-Matthews-Olson (FMO)复合物的7个位点上演示了AI-QD。
参考文献：
Ullah, A., Dral, P.O. Predicting the future of excitation energy transfer in light-harvesting complex with artificial intelligence-based quantum dynamics. Nat Commun 13, 1930 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29621-w
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29621-w
2.JACS：盐辅助MoS2生长:来自第一原理的分子机制
二维过渡金属二卤族化合物(TMD)，如二硫化钼(MoS2)，近年来引起了广泛的研究兴趣，促使人们寻求新的合成策略。近年来，卤化物盐已被报道能促进多种TMD的化学气相沉积(CVD)生长。然而，其潜在的促进机制和反应在很大程度上是未知的。在此，来自美国莱斯大学的Boris I. Yakobson等研究者，采用第一性原理计算和从头算分子动力学(AIMD)模拟，研究了盐辅助下MoS2单分子膜CVD生长的详细分子机制。研究了氧化卤化钼MoO2X2 (X = F、Cl、Br和I)的硫化过程──盐辅助合成中以钼为原料的硫化过程──在传统的MoS2“无盐”生长过程中表现出比氧化钼低得多的活化能垒。此外，速率限制势垒似乎线性地依赖于卤素的电负性，其中碘氧具有最低的势垒。该研究揭示了卤化物的促进机制，并允许生长参数优化实现更快速的生长MoS2单层CVD合成。
参考文献：
Jincheng Lei, Yu Xie, Alex Kutana, Ksenia V. Bets, and Boris I. Yakobson, Salt-Assisted MoS2 Growth: Molecular Mechanisms from the First Principles. Journal of the American Chemical Society Article ASAP DOI: 10.1021/jacs.2c02497
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c02497
3.JACS：光系统II氧化还原耦合质子化动力学的分子原理
光系统II (Photosystem II, PSII)催化光驱动的水氧化，将O2释放到大气中，并传递电子用于生物质的合成。然而，尽管对PSII的结构和功能进行了几十年的研究，但其水氧化机理仍然是现代化学研究的一个重大挑战。在此，来自瑞典斯德哥尔摩大学的Ville R. I. Kaila等研究者，研究表明，PSII催化氧化还原引发的质子转移，在其演化氧的Mn4O5Ca簇和附近的保守的埋藏离子对簇之间，这些离子对通过质子途径连接到本体溶剂。通过多尺度量子模拟和经典模拟，研究者发现氧化还原活性的Tyrz (Tyr161)通过附近离子对(Asp61/Lys317)的构象变化，降低了水介导的质子从Ca2+结合水分子(W3)转移到Asp61的反应势垒。这种W3衬底水的去质子化触发了它向Mn1迁移到一个在最近的X射线自由电子激光(XFEL)实验中确定的位置。Mn4O5Ca团簇进一步氧化后，通过类似的离子对解离过程，将Mn4O5Ca团簇的水配体球的质子转移势垒降低到Asp61，而由此产生的Mn结合的氧/氧分子通过自由基偶联机制形成O2。这里所提出的氧化还原耦合质子化机制，与其他涉及生物能量转换的酶的功能结构惊人地相似，水合变化、离子对动力学和调节催化能垒的电场之间存在相互作用。
参考文献：
Friederike Allgöwer, Ana P. Gamiz-Hernandez, A. William Rutherford, and Ville R. I. Kaila. Molecular Principles of Redox-Coupled Protonation Dynamics in Photosystem II. Journal of the American Chemical Society Article ASAP DOI: 10.1021/jacs.1c13041
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c13041
4.JACS：机器学习化学位移法测定晶体结构
测定粉状固体的三维原子级结构，是当前化学的关键目标之一。固体核磁共振化学位移可以用来解决这一问题，但其计算成本受到晶体结构预测方法和密度泛函理论化学位移计算的限制。在此，来自瑞士洛桑联邦理工学院的Lyndon Emsley等研究者，利用动态生成的机器学习的各向同性化学位移，直接指导从随机气相构象开始的基于蒙特卡罗的结构确定过程，成功地确定了氨苄西林、吡罗昔康、可卡因的晶体结构，以及药物分子AZD8329的两个多态性。
参考文献：
Martins Balodis, Manuel Cordova, Albert Hofstetter, Graeme M. Day, and Lyndon Emsley, De Novo Crystal Structure Determination from Machine Learned Chemical Shifts. Journal of the American Chemical Society Article ASAP DOI: 10.1021/jacs.1c13733
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c13733
5.ACS Catalysis：Li-O2电池碳纳米管正极放电产物演化的分子动力学和密度泛函理论解析
锂氧电池(LOBs)的容量和过电位等性能,与放电产物的形貌密切相关。在此，来自北京科技大学的Xunliang Liu & 香港大学的Dennis Y. C. Leung等研究者，基于分子动力学(MD)和密度泛函理论(DFT)创新性地，揭示了Li2O2在碳纳米管(CNT)正极表面的生长行为与LOBs循环性能之间的关系。结果表明，(Li2O2)n在碳纳米管表面的生长主要经历粘附、分枝和连接三个阶段。(Li2O2)n与CNT表面之间的稳定间隙约为2.47 Å。有趣的是，致密沉积厚度与Li2O2单体数量呈正相关。
另外，游离Li2O2的形成直接导致了(Li2O2)n的失稳和容量损失。更大直径的扶手椅型碳纳米管，特别是单壁和奇数壁的多壁碳纳米管，更有利于放电产物的稳定生长。值得注意的是，(Li2O2)n主要由内部稳定的低电导率部件和分布在表面具有p型半导体特性的非晶部件组成。因此，调控CNT结构，制备催化剂促进Li2O2由有序向非晶态转变，对于突破LOBs的技术瓶颈至关重要。该结果识别了长期存在争议的产物形态演化机制，其独特的计算思路也适用于对其他金属-空气电池放电产物微观生长行为的直观探索。
参考文献：
Xiaoping Yi, Xunliang Liu, Wending Pan, Bin Qin, Juan Fang, Kai Jiang, Shengan Deng, Yuan Meng, Dennis Y. C. Leung, and Zhi Wen. Evolution of Discharge Products on CarbonNanotube Cathodes in Li-O2 Batteries Unraveled by Molecular Dynamics and Density Functional Theory ACS Catalysis 0, 12 DOI: 10.1021/acscatal.2c00409
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c00409
