复杂化学体系多尺度动力学方法的发展与应用

表面催化、材料生长、乃至生命体系中许多重要的化学过程，往往涉及到从微观到介观，甚至宏观的多个时间和空间尺度,从理论上对这些复杂的动力学过程进行研究和预言，在催化、材料和生命体系中都有重要意义。由于第一性原理方法只能适用于相对较小的时间和空间尺度，而宏观唯象理论又缺乏对微观机制的理解，因此对于涉及到多个时间和空间尺度的化学动力学过程，需要发展有效的多尺度理论方法。本项目将以表面催化和材料生长过程为主要对象，结合第一性原理和统计力学原理，为研究复杂化学体系中的多尺度动力学过程发展新的理论方法和程序。本项目的研究，对深入理解表面催化的动力学过程和纳米材料的结构-性能关系，开发优化和控制材料生长的新机制，推动我国理论化学的发展，都将作出贡献。

本项目的主要研究成果如下：.1、对金属表面石墨烯的生长动力学开展了系统的多尺度研究。用第一性原理方法分析了Cu表面C原子的结合过程，发现可以形成C-Cu-C的桥式杂化结构。计算了甲烷等前驱气体在Cu表面的脱氢反应的能垒，提出Cu表面石墨烯的生长应遵循边脱氢边生长的机理。结合热力学平衡定性分析了C团簇的成核尺寸随实验条件的变化，得到了和实验一致的结果。建立了基于前沿生长的多尺度动力学蒙特卡罗方法，很好地解释了石墨烯生长速率与C原子浓度5次方成正比的非线性依赖关系，提出了晶格失配几何结构决定生长指数的机制。.2、理论结合实验研究了小化学反应体系中的涨落效应。通过合成生物学实验，发现基因开关体系存在确定性动力学预言以外的第3个动力学稳态。随机过程模拟以及理论分析与实验结果的对比表明，该稳态起源于小化学反应体系内禀的分子数离散及涨落特性。.3、应用布朗动力学模拟方法，研究了表面上自驱动柔性链的动态自组装行为，发现单链可通过自发对称性破缺形成内禀旋转运动，而长程流体力学作用可显著增大其参数区间。应用和发展介观统计力学方法，对复杂网络上的相变动力学开展了系统研究，基于局域平均场近似和度相近结点合并的规则，建立了满足统计力学一致性条件的粗粒化模拟方法，应用前向流采样方法研究了复杂网络上的成核动力学。. 项目实施以来，在国内外学术期刊上发表SCI标注论文61篇。项目组成员在国内外学术会议上作大会或邀请报告22次，毕业博士生9人。