表面自组装纳米结构形成与演变规律的介观理论研究

表面科学问题一直处于多学科关注的交叉前沿，表面上发生的吸附、脱附、反应和扩散过程，往往涉及到从微观到介观、甚至是宏观的多个时间或空间尺度，这些多尺度上各种复杂作用和过程的相互竞争，导致表面上可以自组装形成各种纳米尺度的平衡或非平衡时空有序结构。由于量子力学等微观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，本项目将结合统计力学原理，发展和应用介观理论方法，深入研究表面平衡和非平衡自组装纳米结构的形成机理和相变动力学规律。主要内容包括：格气模型粗粒化理论方法的发展及其对自组装相图的研究，前向流采样方法和最小作用量方法对自组装成核和相变动力学的研究，自驱动多粒子体系的非平衡动态自组装行为的研究等。本项目将为揭示表面自组装过程的本质和规律、发展可控自组装的新方法，作出特有贡献。

本项目的主要目标，是应用和发展介观统计力学理论与方法，重点研究表面等体系中自组装纳米结构的形成机理和相变动力学规律。项目执行期间，发表基金标注的SCI论文13篇，培养毕业博士7名，硕士1名.1. 合成基因开关体系中涨落效应的理论与实验研究。基因开关体系是典型的非平衡自组装系统，传统动力学方程预言其存在两个稳态和一个不稳态。2012年，我们设计合成了简单的人工基因网络，实验发现体系可以在上述不稳态附近出现第3个稳态。理论和模拟结果的分析表明，这种现象是小体系中关键反应物分子数极少所导致的一种离散的、非线性效应Phys.Rev.Lett.(2012)。.2. 活性粒子动态自组装行为研究。活性软物质系统的动态自组装行为近年受到大量关注。2012年，我们通过前向流采样方法，研究了软核势相互作用的自驱动粒子(Self-Propelled Particles:SPP)体系的态转变行为，发现在噪声的诱导作用下，不同手性的涡旋斑图之间可以突然反转。基于路径采样，我们发现反转总是首先起源于外围粒子。(Phys.Rev.E 2012)。2013年，我们建立了一个综合考虑长程流体力学作用（Hydrodynamic Interaction: HI）、分子马达驱动作用、纤丝自身的柔性、以及流体粘滞作用的柔性分子链理论模型，研究了二维表面上分子马达驱动下的活性纤丝(Active Filament)的自组织动力学，发现随着链刚性或驱动力的降低，纤丝可以由平动通过横向失稳的方式转变成蛇行运动，并进一步通过形状变化的对称性破缺形成旋转运动(Soft Matter 2014)。.3. 金属表面石墨烯非线性生长机理的多尺度研究。2012年，我们采用第一性原理与动力学蒙特卡罗模拟相结合的方法，建立了基于前沿生长的多尺度模型，系统研究了Ir等金属表面石墨烯的外延生长动力学，成功解释了实验上观测到的石墨烯前沿生长速率与C原子浓度5次方成正比的有趣现象（J. Am. Chem. Soc 2012）。2013年，我们继续研究发现，石墨烯的非线性生长行为源自于金属与石墨烯的晶格失配，而生长幂律指数可以完全决定于晶格失配的几何结构 (Phys. Rev. B 2013)。