材料性质全量子第一性原理模拟方法的发展及其在凝聚态物理中的应用

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11275008
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A2501.物理中的数学与计算方法
  • 结题年份:
    2016
  • 批准年份:
    2012
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2013-01-01 至2016-12-31

项目摘要

Theoretical description of material properties, according to the Born-Oppenheimer approximation, can be categorized into two main tasks: an accurate ab-initio description of the electronic structures and a proper treatment of the nuclei's movement on the corresponding potential energy surfaces (PESs). As one of the most powerful methods on fulfilling such tasks, standard ab-initio molecular dynamics (MD) normally addresses the electronic states well enough. The treatment of the nuclei's propagation, however, stays on the level of the classical approximation where only the thermal effects are included. It is well-known that for light elements like hydrogen, when the distance between the two classical PES minima of one nucleus is short enough to be comparable to the nuclear de Broglie wavelength, the quantum nuclear effects (QNEs) can be really important. As a prominent example, replacing H by D in water, one of the most ubiquitous matters on earth, basic properties like the melting and boiling points can be significantly changed. Properly describing phenomena like these requires a fully quantum treatment of both the electrons and the nuclei. In this project, we aim to provide such a tool by combining the path-integral molecular dynamics (PIMD) method with one of the best all-electron ab-initio electronic structure calculation packages, FHI-aims. Our research can be categorized into two parts. First, we will use the well-established ab-initio PIMD method to study the thermostatic properties of some materials, where an ab-initio treatment of the electronic structures is essential. The phase diagram of hydrogen under mega-bar pressure is one of such examples. This phase diagram of the simplest element poses one of the biggest challenges in condensed matter physics calculations in the last more than half a century. Since the FHI-aims package allows different choices for the calculation of the electronic states and the PIMD method gives a proper description of the QNEs, our developed method will provide an accurate description for the thermostatic property of this material. Besides this, beyond the standard ab-initio PIMD method, we also plan to implement the adiabatic centroid molecular dynamics (adiabatic CMD) and the ring-polymer molecular dynamics (RPMD) methods in the same code. These two methods allow the real-time propagation of the nuclei to be accurately addressed with QNEs included. When combined with ab-initio electronic structures, such an extension allows dynamic quantities of many real systems to be calculated. Other fundamental problems in condensed matter physics to be studied include, i.e. the calculation of the nuclear zero-point energy and the impact of QNEs on liquid water structures. In summary, this project will i) provide a powerful tool on a fully quantum description of both the thermostatic and dynamic properties of real materials, and ii) answer some fundamental questions in condensed matter physics.
材料性质的模拟,依据玻恩-奥本海默近似,可归结为电子结构的计算和原子核运动的描述两个层面的内容,其目的是准确重复实际系统在所有自由度的进动。目前国际上非常盛行的一个方法是基于第一性原理电子结构计算的分子动力学。该方法中,电子系统的第一性原理计算保证了电子结构的质量,而对原子核的经典近似,却令其在对与核量子效应相关的性质描述中(如氢键的同位素依赖性、生物分子中的质子输运等),完全丧失了功能。材料性质的全量子模拟(含核量子效应),也因此成为近年来计算物理方法发展的一个前沿。本研究项目计划使用路径积分方法发展一个基于第一性原理电子结构计算的全量子模拟程序,实现对实际材料核量子效应的准确模拟。与方法的发展相结合,我们也将对高压下氢相图、真实系统零点能计算、质子传输、核量子效应对水及其溶液结构的影响等物理问题进行准确、系统的描述。在发展一个强大的材料性质全量子模拟工具的同时,解决一些基本的物理问题。

结项摘要

材料性质的模拟,依据玻恩-奥本海默近似,可基本归结为电子结构的计算和原子核运动的描述两个层面的内容。它的目标是准确重复实际系统在所有自由度的进动。就这个目标而言,基于第一性原理电子结构计算的分子动力学是目前最为通行的一个方法。在该方法中,电子系统的第一性原理计算保证了电子结构的质量,但对原子核的经典近似却令其在对与核量子效应相关的性质描述中完全丧失了功能。材料性质的全量子模拟(含核量子效应)也因此成为近年来计算物理方法发展的一个前沿。..在该项目中,我们针对这个前沿问题,基于第一性原理路径积分分子动力学,发展了一系列用于分子与凝聚态体系性质全量子模拟的程序与方法。这些方法包括:第一性原理路径积分分子动力学,第一性原理的路径积分分子动力学模拟与中心固定增强取样方法的结合,以及第一性原理的路径积分分子动力学模拟与热力学积分方法的结合。它们的实现主要依赖于FHI-aims与VASP两个软件包。在过去的四年中,基于这些我们自主开发的计算方法,我们系统的研究了凝聚态物理、表面科学、高压物理中的多个问题。其中,对氢相图与锂相图的研究系统揭示了轻元素核量子效应对其高压下相图的影响。对固体表面水的成像、成核、协同量子隧穿效应、氢键中核量子效应的研究系统揭示了氢的核量子效应对类似体系结构、动力学性质的影响。..基于这些工作,本项目发表学术论文十一篇,含Science、Nature Physics、Nature Materials各一篇,Nature Communications两篇。我们认为这个项目在发展一个强大的材料性质全量子模拟工具的同时,解决了一些凝聚态物理与表面物理中的问题,较为完满地完成了既定目标。

项目成果

期刊论文数量(11)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
液态水以及碳纳米管中的质子传输
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    Phys. Chem. Chem. Phys.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Xin-Zheng Li;Qianfan Zhang;Angelos Michaelides;En-Ge Wang
  • 通讯作者:
    En-Ge Wang
石墨烯上氢原子的规则钝化排列
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Nano Letters
  • 影响因子:
    10.8
  • 作者:
    Ruguang Zhao;En-Ge Wang;Xin-Zheng Li;Zonghai Hu
  • 通讯作者:
    Zonghai Hu
高压氢中液液相变的超临界现象
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    New J. Phys.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Ji Chen;Xin-Zheng Li;En-Ge Wang;Limei Xu
  • 通讯作者:
    Limei Xu
NaCl(001)表面的一种非常规双层冰
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    Nature Communications
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Limei Xu;Ying Jiang;Xin-Zheng Li;En-Ge Wang
  • 通讯作者:
    En-Ge Wang
DNA碱基对中核量子效应的反常温度依赖
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    J. Phys. Chem. Lett.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Mariana Rossi;Yexin Feng;Xin-Zheng Li;Angelos Michaelides
  • 通讯作者:
    Angelos Michaelides

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其他文献

玉米幼胚和源于幼苗的幼嫩叶段愈伤诱导及其植株再生的比较
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    《中国农业科学》,
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈靖;董浩;马海珍;孙全喜;刘江;亓宝秀;李新征;董树亭
  • 通讯作者:
    董树亭
球等鞭金藻Δ5去饱和酶基因IgD5在拟南芥中的功能鉴定
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    作物学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘江;孙全喜;李新征;亓宝秀
  • 通讯作者:
    亓宝秀
球等鞭金藻中Δ5去饱和酶基因的克隆与功能鉴定
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    水生生物学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    孙全喜;李雪滢;郑德松;刘江;李新征;亓宝秀
  • 通讯作者:
    亓宝秀
Accurate 0 band gaps and their phonon-induced renormalization in solids
固体中精确的 0 带隙及其声子诱导重整化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Chinese Physics B
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    Tong Shen;Xiaowei Zhang;Minye Zhang;Hong Jiang;李新征
  • 通讯作者:
    李新征
超长链多不饱和脂肪酸在棉花中的异源合成
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    作物学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    孙美红;李燕娥;李新征;亓宝秀
  • 通讯作者:
    亓宝秀

其他文献

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李新征的其他基金

第二界计算凝聚态物理方法前沿与交叉战略研讨会
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    专项项目
凝聚态系统中由核量子效应诱发的新奇物性研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
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    290 万元
  • 项目类别:
    重点项目
凝聚态系统中由核量子效应诱发的新奇物性研究
  • 批准号:
    12234001
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    290.00 万元
  • 项目类别:
    重点项目
有限温度下原子尺度的铁电-顺电相变及量子顺电机制模拟
  • 批准号:
    11774003
  • 批准年份:
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  • 项目类别:
    面上项目

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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