气溶胶表面化学反应的理论模拟研究

Surface chemical reactions always induce interests of scientists since they involve in lots of chemical,biological and environmental processes.Especially, the chemical reaction occurred on the air-water interface formed by aerosol and atmosphere is the main focus of many researchers since aerosol molecules are found to be the main source of haze.In this study, we first develop the highly efficient molecular simulation methods by combining the integrated tempering enhanced sampling method and quantum chemistry computational methods so that they can be applied to efficiently study surface chemical reactions. Through taking use of the newly developped method, two kinds of critical air-water interface chemical reactions: oxidation reactions of aldehyde compounds and condensation reactions of amino acids are studied in details.Chemical reactions mechanism of aerosol molecules on the surfaces of carbon soot are also investegated, which are closely related to the formation of haze.

界面反应在诸多与化学、生命科学、环境科学相关的过程中至关重要，其研究一直备受关注，特别是在当前大面积长时间的雾霾天气严重危害人类健康和社会发展的情况下，气溶胶表面的化学反应机理越来越引起人们的重视。本研究项目首先通过结合温度积分增强抽样方法和量子化学计算方法，发展出适用于研究表面化学反应的高效分子模拟方法，在此基础上重点研究两类重要的气-液界面的化学反应的机理：醛类化合物的氧化反应和氨基酸的缩合反应。最后，我们也重点对与雾霾等现实污染问题紧密相关的气溶胶在炭黑表面的反应与聚集进行探索性研究。

界面反应在诸多与化学、生命科学、环境科学相关的过程中至关重要，其研究一直备受关注，特别是与空气质量密切相关的气溶胶表面化学反应机理越来越引起人们的重视。在本项目的研究中我们结合QM/MM计算方法和SITS增强抽样方法不仅发展了适用于表界面化学反应机理研究的高效方法，也结合深度学习技术提高了增强抽样方法中产生目标分布的收敛速度，开发了对复杂系统的降维和亚稳态聚类分析方法，可以有效帮助对于复杂表界面体系的机理分析和动力学建模。应用所发展的方法，我们结合实验研究了AVE (allyl vinyl ether)分子克莱森重排反应的溶剂化效应、分子团簇结构形成机理、二维受限水中冰成核行为的微观反应路径和水合离子表面输运幻数效应等多个具有重要意义的课题。我们的工作受到了相关研究领域的广泛关注，国内多家媒体对我们的研究成果亦有多次报道。在项目支持下共毕业博士8名，发表高水平SCI论文24篇，其中包括在Nature、Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A、 J. Phys. Chem. Letts.和ACS Cent. Sci.等重要的学术期刊上发表的论文多篇。