团簇建模：老司机课堂10月新课

团簇建模与计算小班课

团簇，就是一伙原子，数量不多，但很奇幻！它优美地把孤立原子与固体和表面联系起来，但又不同于原子/小分子。现实应用中，大量催化、医药、储能、超导，都能看到团簇的影子，例如Science曾经多篇论文探讨C60团簇和超导。

团簇建模有两种典型思路。Bottom-up策略，用一个个原子按照一定规则构建，这适用于小团簇，因为团簇构型会随着原子数增加而指数级增加；周期结构团簇化则是另外一个实用策略，通过构建或调用周期模型，抓主要结构单元和结构特征从而构造团簇，此时不仅能处理多大数百原子的团簇，还能考虑纳米颗粒的部分表面特征。

计算上，如何评判团簇模型？如何研究团簇的电子结构？以及如何将团簇负载到一定环境满足应用需求？这些都是团簇小班要解决的问题。计算老司机用一个个案例，讲解团簇稳定性、周期结构团簇化技巧以及团簇分析。分子轨道会作用最重要的一个工具引进团簇电子结构分析，并将其应用到催化、电池等热门领域。

延续老司机课堂的传统，我们追求：能建模、会计算、善分析。4节理论配合2节操作，每节操作都有完整案例，包含建模、参数测试、计算、数据分析。老司机倡导浸入式学习，用案例带动理论和方法学习！10月23日，不见不散！

第一节：团簇建模与周期结构团簇化

现实中我们受制于所研究的问题与计算软硬件能力，大量结构我们无法用周期性模型取处理，例如很多MOF结构、分子筛等，因为计算量很大、很多也没有必要。如何从晶体学数据库的周期结构模型快速合理的团簇模型（周期结构团簇化），是本节的重点。老司机用典型金属、合金团簇展开，引入团簇的表征概念，例如配位数、径向分布函数等，使得团簇建模能用定量数据去评估、甚至同实验结果进行比对。这种处理方法的一个典型应用就是非晶团簇建模（如下图），我们可以从典型晶体出发，借助分子动力学和定量判据，获得贴近实验样品特征的非晶团簇模型。

第二节：团簇电子结构

团簇由于缺乏平移周期性，其电子结构主要由其点群特征决定，描述也采用类似分子体系的工具，如分子轨道、能级以及化学键分析。本小节以碳团簇、金属团簇、小分子团簇以及化合物团簇为结构案例，演示用分子轨道、态密度、能级、电子局域函数、静电势等工具，来分析团簇的典型电子结构，并形象展示团簇与块体的区别。

第三节：团簇负载与作用分析

在能源、材料与化学化工等领域，团簇以及纳米颗粒往往需要负载到廉价基体上，因此如何构建团簇-载体模型对于后续研究就非常关键。本小节根据不同团簇类型、团簇电子结构以及具体研究问题，演示如何平衡取舍并快速做结构扫描。模型方面会讲解表面负载、孔道负载、笼结构负载等。同时会重点选择电池应用、催化应用案例，进一步演示如何灵活地将分子轨道、投影态密度、局域电荷等工具融入到团簇-载体的分析中。最后会进一步解释何为强基底作用，以及对典型化学体系的影响。下图展示Li-S电池中频繁遇到的Li2Sn团簇的电子结构分析。

第四节：团簇吸附与催化应用

团簇往往在化学过程中发挥关键作用，因此其表面配位以及反应特性直接关乎其性能。本小节从团簇自身稳定性角度出发，演示如何引入覆盖从而提高稳定性，进而选择经典的金团簇表面有机分子包覆，展示利用对称快速引入覆盖层(Sci. Adv. 2015;1: e1500425)。作为催化反应，团簇/载体构型选择以及团簇活性位识别，会通过CO2还原反应等经典反应来形象讲解界面团簇原子分层、混合价态催化、协同催化等概念。建模初始如何基于团簇-载体作用判断可能的活性位是本节的重点，而进一步考虑小分子协同吸附则是难点所在，如下图展示了团簇界面原子诱导了CO2解离吸附(ACS Catal. 2016, 6, 4501−4505)。

建模往往占据计算1/3的工作量，它决定了计算方法的可选空间，也决定了计算对具体科学问题的相关性与准确性，而非周期团簇与周期性晶胞是两种典型模型。如果您在建模方面有困扰，尤其是经常需要处理带电体系、纳米颗粒等，本次团簇建模小班课可能适合您。欢迎感兴趣同学添加微信（jisuanlaosiji）以获得更全面的课程信息。