Quantum-Designed Models of Bulk and Interfacial Solvation
体相和界面溶剂化的量子设计模型
基本信息
- 批准号:1955161
- 负责人:
- 金额:$ 51万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Continuing Grant
- 财政年份:2020
- 资助国家:美国
- 起止时间:2020-04-01 至 2023-12-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Thomas Beck of the University of Cincinnati is supported by an award from the Chemical Theory, Models and Computational Methods program in the Division of Chemistry to develop new theoretical and computational methods to better understand complex liquid mixtures. Beck and his research group develop and use advanced computer simulations to investigate how molecules interact with each other to produce the great complexity in living things, industrial chemistry, household chemicals such as soaps, and battery materials. They use these advanced methods to model the basic properties of various charged particles (ions) in water and near the water surface. They also extend these techniques to studies of ions in organic liquids that are used in lithium ion batteries. In addition, the Beck group employs the new calculations to model phase separation in liquid mixtures relevant to industrial chemical processes. Accuracy is important because slight changes in the force fields that describe interactions between molecules often lead to completely different theoretical behaviors of the mixture. Gaining more insight into the interactions and resulting system properties results, for example, in the development of more efficient and safer battery materials. Communicating this basic science to the broader community is increasingly important, and Beck oversees a program at the Cincinnati Museum Center that will train 10 Ph.D. students from his Department to engage in effective science demonstrations on the floor of the museum. Solvation and interfacial phenomena are central to a diverse array of physical, chemical, and biological systems including nanomaterials, surfactants, synthetic chemistry, membranes, proteins, and the energy sciences. While significant progress has been made in developing accurate models of complex ionic and molecular mixtures and interfaces, major challenges remain in building a predictive science of solvation. The principal objectives of this grant are threefold. The Beck group performs extensive ab initio quantum molecular dynamics simulations coupled with advanced statistical mechanical theories that establish a fundamental single-ion free energy scale in water and that explores the basic structure and dynamics of ion solvation in organic solvents. The team utilizes data from the ab initio simulations in constructing novel quantum-designed models that incorporate the essential physical components of solvation. They also applying these new models to challenging systems such as predicting liquid-liquid equilibrium and competitive solvent binding to ions in complex molecular mixtures. The theoretical methods employed include distributed charge multipole models and Drude oscillators optimized with evolutionary algorithms to mimic the electronic distributions in the condensed phase quantum simulation data. The resulting predictive computational models are employed in studies of interfacial electrostatics, specific ion effects in solution and near interfaces, and in ion solvation studies in organic solvents used in energy storage devices and in green chemistry processes.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
辛辛那提大学的 Thomas Beck 获得化学系化学理论、模型和计算方法项目的奖项支持,致力于开发新的理论和计算方法,以更好地理解复杂的液体混合物。 贝克和他的研究小组开发并使用先进的计算机模拟来研究分子如何相互作用,从而在生物、工业化学、肥皂等家用化学品和电池材料中产生巨大的复杂性。 他们使用这些先进的方法来模拟水中和水面附近各种带电粒子(离子)的基本特性。 他们还将这些技术扩展到锂离子电池中使用的有机液体中的离子研究。 此外,贝克小组采用新的计算来模拟与工业化学过程相关的液体混合物中的相分离。 准确性很重要,因为描述分子之间相互作用的力场的微小变化通常会导致混合物的完全不同的理论行为。 例如,更深入地了解相互作用和由此产生的系统特性,可以开发出更高效、更安全的电池材料。 向更广泛的社区传播这一基础科学变得越来越重要,贝克负责监督辛辛那提博物馆中心的一个项目,该项目将培训 10 名博士生。他所在系的学生在博物馆的地板上进行有效的科学演示。溶剂化和界面现象是各种物理、化学和生物系统的核心,包括纳米材料、表面活性剂、合成化学、膜、蛋白质和能源科学。虽然在开发复杂离子和分子混合物和界面的精确模型方面已经取得了重大进展,但在建立溶剂化预测科学方面仍然存在重大挑战。这笔赠款的主要目标有三个。 贝克小组进行了广泛的从头算量子分子动力学模拟,结合先进的统计力学理论,建立了水中基本的单离子自由能尺度,并探索了有机溶剂中离子溶剂化的基本结构和动力学。 该团队利用从头算模拟的数据构建新颖的量子设计模型,其中包含溶剂化的基本物理成分。 他们还将这些新模型应用于具有挑战性的系统,例如预测液液平衡和竞争性溶剂与复杂分子混合物中离子的结合。采用的理论方法包括分布式电荷多极模型和使用进化算法优化的德鲁德振荡器,以模拟凝聚相量子模拟数据中的电子分布。由此产生的预测计算模型可用于界面静电学、溶液和界面附近的特定离子效应的研究,以及储能设备和绿色化学过程中使用的有机溶剂的离子溶剂化研究。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并已被通过使用基金会的智力优点和更广泛的影响审查标准进行评估,认为值得支持。
项目成果
期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Condensed Phase Water Molecular Multipole Moments from Deep Neural Network Models Trained on Ab Initio Simulation Data
来自从头算模拟数据训练的深度神经网络模型的凝聚相水分子多极矩
- DOI:10.1021/acs.jpclett.1c02328
- 发表时间:2021-10
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Shi, Yu;Doyle, Carrie C.;Beck, Thomas L.
- 通讯作者:Beck, Thomas L.
Absolute ion hydration free energy scale and the surface potential of water via quantum simulation
通过量子模拟的绝对离子水合自由能尺度和水的表面电势
- DOI:10.1073/pnas.2017214117
- 发表时间:2020-11
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Shi, Yu;Beck, Thomas L.
- 通讯作者:Beck, Thomas L.
Specific Ion Solvation and Pairing Effects in Glycerol Carbonate
碳酸甘油酯中的特定离子溶剂化和配对效应
- DOI:10.1021/acs.jpcb.1c06575
- 发表时间:2021-12
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Eisenhart, Andrew E.;Beck, Thomas L.
- 通讯作者:Beck, Thomas L.
Quantum Simulations of Hydrogen Bonding Effects in Glycerol Carbonate Electrolyte Solutions
碳酸甘油酯电解质溶液中氢键效应的量子模拟
- DOI:10.1021/acs.jpcb.0c10942
- 发表时间:2021-03
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Eisenhart, Andrew E.;Beck, Thomas L.
- 通讯作者:Beck, Thomas L.
Molecular Basis of CLC Antiporter Inhibition by Fluoride
氟化物抑制 CLC 逆向转运蛋白的分子基础
- DOI:10.1021/jacs.9b13588
- 发表时间:2020-04
- 期刊:
- 影响因子:15
- 作者:Chiariello, Maria Gabriella;Bolnykh, Viacheslav;Ippoliti, Emiliano;Meloni, Simone;Olsen, Jógvan Magnus;Beck, Thomas;Rothlisberger, Ursula;Fahlke, Christoph;Carloni, Paolo
- 通讯作者:Carloni, Paolo
{{
item.title }}
{{ item.translation_title }}
- DOI:
{{ item.doi }} - 发表时间:
{{ item.publish_year }} - 期刊:
- 影响因子:{{ item.factor }}
- 作者:
{{ item.authors }} - 通讯作者:
{{ item.author }}
数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}
{{ item.title }}
- 作者:
{{ item.author }}
数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}
{{ item.title }}
- 作者:
{{ item.author }}
数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}
{{ item.title }}
- 作者:
{{ item.author }}
数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}
{{ item.title }}
- 作者:
{{ item.author }}
数据更新时间:{{ patent.updateTime }}
Thomas Beck其他文献
Duchon–Robert solutions for the Rayleigh–Taylor and Muskat problems
Rayleigh-Taylor 和 Muskat 问题的 Duchon-Robert 解
- DOI:
10.1016/j.jde.2013.09.001 - 发表时间:
2012-09-05 - 期刊:
- 影响因子:2.4
- 作者:
Thomas Beck;Philippe Sosoe;Percy Wong - 通讯作者:
Percy Wong
Outdoor Absolute Humidity Predicts the Start of Norovirus GII Epidemics
室外绝对湿度预示诺如病毒 GII 流行的开始
- DOI:
- 发表时间:
2023 - 期刊:
- 影响因子:3.7
- 作者:
Thomas Beck;N. Sundell;L. Gustavsson;M. Lindh;J. Westin;L. Andersson - 通讯作者:
L. Andersson
Level Set Shape For Ground State Eigenfunctions On Convex Domains
凸域上基态本征函数的水平集形状
- DOI:
- 发表时间:
2015 - 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:
Thomas Beck - 通讯作者:
Thomas Beck
The isoperimetric inequality for convex subsets of the sphere
球体凸子集的等周不等式
- DOI:
- 发表时间:
2023 - 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:
Farhan Azad;Thomas Beck;Karolina Lokaj - 通讯作者:
Karolina Lokaj
Haemoglobin thresholds for transfusion: how are we doing in the era of Choosing Wisely? A retrospective cohort study.
输血的血红蛋白阈值:在明智选择的时代我们表现如何?
- DOI:
10.57187/smw.2023.40132 - 发表时间:
2023-11-29 - 期刊:
- 影响因子:2.9
- 作者:
Phyranavy Jeganathan;Nicole Tochtermann;Thomas Beck;M. Wertli;Christine Baumgartner - 通讯作者:
Christine Baumgartner
Thomas Beck的其他文献
{{
item.title }}
{{ item.translation_title }}
- DOI:
{{ item.doi }} - 发表时间:
{{ item.publish_year }} - 期刊:
- 影响因子:{{ item.factor }}
- 作者:
{{ item.authors }} - 通讯作者:
{{ item.author }}
{{ truncateString('Thomas Beck', 18)}}的其他基金
Estimates on eigenvalues and eigenfunctions in convex settings
凸设置中特征值和特征函数的估计
- 批准号:
1954304 - 财政年份:2020
- 资助金额:
$ 51万 - 项目类别:
Continuing Grant
Estimates on eigenvalues and eigenfunctions in convex settings
凸设置中特征值和特征函数的估计
- 批准号:
2042654 - 财政年份:2020
- 资助金额:
$ 51万 - 项目类别:
Continuing Grant
Quantum Models of Ion Solvation Thermodynamics
离子溶剂化热力学的量子模型
- 批准号:
1565632 - 财政年份:2016
- 资助金额:
$ 51万 - 项目类别:
Standard Grant
Theory and Modeling of Specific Ion Solvation in Water and Non-Aqueous Solvents with Applications to Energy Storage
水和非水溶剂中特定离子溶剂化的理论和建模及其在储能中的应用
- 批准号:
1266105 - 财政年份:2013
- 资助金额:
$ 51万 - 项目类别:
Standard Grant
Theory and Modeling of Specific Ion Effects in Chemistry and Biology
化学和生物学中特定离子效应的理论和建模
- 批准号:
1011746 - 财政年份:2010
- 资助金额:
$ 51万 - 项目类别:
Standard Grant
Modeling specific-ion effects in aqueous solutions and ion channels
模拟水溶液和离子通道中的特定离子效应
- 批准号:
0709560 - 财政年份:2007
- 资助金额:
$ 51万 - 项目类别:
Standard Grant
ITR/AP+SY(DMR): Multiscale Quantum Simulations of Electron Transport in Molecular Devices
ITR/AP SY(DMR):分子器件中电子传输的多尺度量子模拟
- 批准号:
0112322 - 财政年份:2001
- 资助金额:
$ 51万 - 项目类别:
Standard Grant
Multigrid Methods for Simulation of Complex Materials
复杂材料模拟的多重网格方法
- 批准号:
9632309 - 财政年份:1996
- 资助金额:
$ 51万 - 项目类别:
Continuing Grant
Theory of Tethered Polymer-Solution Interfaces and Quantum Impurities
系留聚合物溶液界面和量子杂质理论
- 批准号:
9225123 - 财政年份:1993
- 资助金额:
$ 51万 - 项目类别:
Continuing Grant
An Interdisciplinary Design and Manufacturing Laboratory
跨学科设计和制造实验室
- 批准号:
9250928 - 财政年份:1992
- 资助金额:
$ 51万 - 项目类别:
Standard Grant
相似国自然基金
平台经济中的市场失灵与机制设计研究
- 批准号:72373127
- 批准年份:2023
- 资助金额:40 万元
- 项目类别:面上项目
铅芯橡胶支座隔震体系热力耦合机理及设计方法研究
- 批准号:52308527
- 批准年份:2023
- 资助金额:30 万元
- 项目类别:青年科学基金项目
负泊松比复合钢板剪力墙地震–爆炸动力灾变性能及协同设计理论研究
- 批准号:52378179
- 批准年份:2023
- 资助金额:50 万元
- 项目类别:面上项目
极端气候条件下多能源互补系统设计优化的建模方法研究
- 批准号:52306027
- 批准年份:2023
- 资助金额:30 万元
- 项目类别:青年科学基金项目
具有高激子利用率的纯有机快闪烁体材料设计及应用
- 批准号:62305276
- 批准年份:2023
- 资助金额:30 万元
- 项目类别:青年科学基金项目
相似海外基金
Proteasomal recruiters of PAX3-FOXO1 Designed via Sequence-Based Generative Models
通过基于序列的生成模型设计的 PAX3-FOXO1 蛋白酶体招募剂
- 批准号:
10826068 - 财政年份:2023
- 资助金额:
$ 51万 - 项目类别:
Collaborator-designed agent-based models to inform alcohol-involved sexual violence prevention on college campuses.
合作者设计的基于代理的模型为大学校园中涉及酒精的性暴力预防提供信息。
- 批准号:
10706463 - 财政年份:2022
- 资助金额:
$ 51万 - 项目类别:
Collaborator-designed agent-based models to inform alcohol-involved sexual violence prevention on college campuses.
合作者设计的基于代理的模型为大学校园中涉及酒精的性暴力预防提供信息。
- 批准号:
10440856 - 财政年份:2022
- 资助金额:
$ 51万 - 项目类别:
Investigation into the activation of multiple bnAb precursors using structure-designed immunogens and Ig knock-in mice
使用结构设计的免疫原和 Ig 敲入小鼠研究多种 bnAb 前体的激活
- 批准号:
10619836 - 财政年份:2022
- 资助金额:
$ 51万 - 项目类别:
A microengineered colon cancer-chip designed to investigate tumor-stromal interactions driving cancer progression
一种微工程结肠癌芯片,旨在研究驱动癌症进展的肿瘤-基质相互作用
- 批准号:
10526189 - 财政年份:2021
- 资助金额:
$ 51万 - 项目类别: