結合能的案例
通過使用Gromacs和MM-PBSA計算結合能
如下圖所示：
圖4 受體-配體結構
圖5 計算產生的數據文件
圖6 受體-配體結合能以及能量組成項數值
圖7 受體-配體各單元的結合能
此項工作的計算流程并不難，但是難點在于理解計算腳本中的每一項內容，從而根據自己的需要去得到合適準確的計算腳本，以及理解MMPBSA計算的物理含義。歡迎大家聯系小編下載本文中使用的計算腳本。
最后如何根據自己需求計算結合能、如何更改腳本指令以及學習MMPBSA深層含義，有相關需求歡迎通過公眾號與我們聯系。
公眾號“320科技工作室”
通過缺陷電荷調節過渡金屬硫屬化物的電子性質
緊束縛帶結構
(a)1s?(K/K′) (藍色)和1s?(Γ) (綠色)雜質態的結合能Eb?=?E???EVBM，作為緊密結合計算(實線)和有效質量近似( EMA ) (虛線)中MoS2上帶負電荷原子的原子電荷Z的函數。
(b)緊束縛帶結構，其中具有自旋向上(自旋向下)特征的帶是紅色(藍色)。
圖4. 振蕩模式
(a–h)雜質電荷Q = + 0.3e的束縛雜質態的平方波函數；
(i)雜交1s?(K/K′) (綠色和藍色)和1s (Q) (品紅色)雜質態的結合能Eb，作為來自TB (實線)和EMA (虛線)的MoS2上帶正電荷的原子的原子電荷Z的函數。
圖5. 緊密結合的LDOS
(a,b)靠近(a)價帶和(b)導帶邊緣的二氧化硅(+二氧化硅襯底)上鋰(Li)原子的LDOS；
(c,d)靠近(c)價帶和(d)導帶邊緣的二氧化硅(+二氧化硅襯底)上碳(C)原子的LDOS；
【小結】
作者研究了過渡金屬硫屬化合物中帶電缺陷的電子性質。通過對包含多達8000個原子的單元晶胞進行篩選雜質勢的緊密結合模擬，作者計算了淺雜質束縛態的結合能和波函數。作者的關鍵發現是，最低位雜質態的軌道特性敏感地取決于缺陷電荷的大小。對于受體狀態，即帶負電荷的缺陷，在Q =-0.32 e的臨界缺陷電荷(其中e是質子電荷)處出現具有不同軌道特征的雜質狀態的交叉。為了理解不同雜質態之間的競爭，作者使用有效質量理論分析它們的性質，發現雜質結合能可以用缺陷電荷的冪律來描述，但是由于屏蔽，與氫的行為有顯著的偏差。
展開 哥倫比亞大學陳經廣Adv. Funct. Mater: 聚合物粘結劑中的官能團對Au納米粒子CO2
現已充分確定，參與CO2 RR的反應中間體的結合能與催化活性和產物選擇性相關。很難期望除了Au以外的更好的單金屬電催化劑用于CO析出，因為基于不同中間體的結合能之間的結合關系，預測Au對CO產生具有最佳的選擇性。在這些情況下，出現了一個問題：是否有任何方法可以控制中間體在Au上的結合能，從而優化CO2 RR的活性和選擇性？
【成果簡介】
近日，哥倫比亞大學陳經廣教授團隊通過結合實驗測量和密度泛函理論（DFT）計算系統地研究了聚合物粘合劑的不同官能團對Au催化劑上的CO2 RR的作用。
密度泛函理論（DFT）計算表明，粘合劑中的末端官能團對反應中間體的結合能具有顯著影響，并因此改變了CO2 RR性能。此外，通過實驗表明，與DFT預測一致，富含F的聚四氟乙烯（PTFE）粘合劑中的含氟（F）官能團使得CO產生法拉第效率極高（≈94.7％）。這些實驗和DFT結果表明，粘合劑替換和優化可能是目前面向材料的CO2 RR研究之外的可能選擇之一。
展開 北京化工大學史文穎、呂超團隊《Nat. Commun.》：基于水滑石限域效應的新型超分子活性聚合方法
動力學研究表明，LDH克服了巨大的能壘，可以抑制單體的無序聚集（自發成核）、阻止有序組裝的亞穩態LSP的分解，促進LSP種子誘導的超分子聚合物（SSP）的快速生成。此外，他們提出的活性超分子制備策略具有較好的普適性，這將推動對功能分子的活性聚合的探索，促進功能性LSP的發展。
圖1. 活性超分子聚合物的制備方法示意圖。圖片來源：Nat. Commun.
手性分子上的不同官能團在共組裝中具有不同的阻滯作用，活性超分子在共組裝動力學中，可以放大該阻滯作用的不同。以發光分子SG7的活性組裝為例，用于識別手性精氨酸（Arg）。L-Arg成功與SG7共組裝需要50 min，而D-Arg需要更久，可以根據肉眼判斷共組裝滯后時間的不同，實現手性識別。理論計算表明，形成LSP的單元（預組裝的LSM）之間的結合能為52.64 kJ mo
l
?1，而LSM與L-Arg結合能為191.50 kJ mo
l
?1，與D-Arg結合能為471.64 kJ mo
l
?1,手性分子與LSM結合能的差異為共組裝滯后時間的不同提供了基本條件，最終實現手性識別。
圖2. 活性超分子聚合物的手性識別：紫外燈下發光照片（a, b）以及原理（c, d）。圖片來源：Nat. Commun.
這一成果近期發表在
Nature Communications 上，北京化工大學是唯一單位，文章的第一作者是北京化工大學博士研究生
宗映彤和
徐思民。
展開 
《Nature Communications》晶格缺陷誘導金屬的選擇性氧化！
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-20876-9
納米材料中的面缺陷（如孿晶界）可以作為化學反應的理想位點和原子遷移的快速通道，從而降低反應能壘。與此同時，也有研究表明孿晶界可以提高材料的抗腐蝕性與抗氧化性。因此，面缺陷對于金屬材料中化學反應動力學的影響仍存在較大爭議。
本工作中，研究人員以氧化反應為例，針對性地設計了多種包含不同面缺陷或原子臺階的Ag和Pd納米晶體，利用原位高分辨透射電鏡直觀揭示了氧化反應的動力學機制。圖1所示為納米孿晶Ag的氧化過程。與之前大量報道的表面臺階誘發的形核不同，本實驗中孿晶界和表面的交匯處優先于周圍的（111）原子臺階吸附氧原子，導致氧化物表現出明顯的選擇性形核。隨著反應的進行，Ag2O沿著孿晶界向Ag基體內部生長并伴隨著側向的擴展，最終形成一個“帽狀”結構。
圖1. (a-d)透射電鏡中納米孿晶Ag的氧化過程；(e-g)Ag基體與氧化物的結構與位相；(h-k) 孿晶界交匯表面Ag2O形核與生長的原子尺度機制。
密度泛函理論計算表明，Ag納米晶的不同表面結構具有不同的配位數（CN）和氧結合能Eb（圖2）。孿晶界與表面交匯處的原子配位數（CN=8）低于附近表面的配位數（CN=9）,相應的具有較高的平均氧結合能Eb，因此利于氧化物形核。另一方面，平均氧結合能隨著孿晶界密度變化，當相鄰孿晶界間距減小到14.4 ?以下時，其氧結合能顯著下降。進一步研究發現，孤立的層錯與表面交匯處的氧結合能比孿晶界處更高。
圖2.密度泛函理論計算得到Ag納米晶體自由表面和不同孿晶界/層錯交互表面處的平均氧結合能Eb。
展開 XPS峰形擬合.
打開輸出的.dat數據，按需要選擇需要的列數，復制后在Origin中繪圖，標注特征峰對應的結合能。
來源：材料人
作者：
Gromacs通過傘狀抽樣的方法計算自由能
本次簡要介紹利用Gromacs的傘狀抽樣的方法計算結合能。
首先要使用gmx pdb2gmx指令產生對應分子的力場文件和結構文件，并將產生的結構文件放置在盒子中。在該步驟需要注意由于傘狀抽樣需要用到更大的空間，所以必須要在對應的維度增大盒子尺寸。
隨后進行的就是添加水和離子進行能量最小化以及后續較短時間的NVT和NPT模擬。在進行后期的MD模擬時，需要自定義索引組進行牽引，并設置mdp文件中的牽引參數例如速度和力等。
此時模擬過程中的牽引力會被記錄在xvg文件中，力隨時間變化曲線如圖所示：
在該過程中，我們可以設定模擬軌跡產生的幀數，然后通過得到單鏈拉離的多個軌跡分別進行多組模擬。通過在模擬中設定牽引力，將其限制在對應選定的窗口中，即可得到多組模擬產生的pullf.xvg文件。
自由能通?？蓮膫銧畛闃荧@取的PMF得到即PMF曲線最高值和最低值的差值。通過使用gmx wham指令打開每一個模擬的tpr文件和pullf.xvg文件，就可以得出PMF值隨距離的變化圖，如下圖所示：
結語
本文簡要介紹了Gromacs中通過傘狀抽樣計算結合能的流程。在實際的操作過程中，用戶需要準確了解每個命令中的用途以及如何針對自己的需要選擇合適的mdp文件中設定例如計算時長，輸出頻率，牽引參數等。最后，有相關需求，歡迎通過微信公眾號聯系我們
展開 東北師范大學趙銳等《ACS AMI》：連通介孔通道助力聚合物/MOFs復合靜電紡纖維快速、高效捕獲水中抗生素分子
了解決這一問題，研究者們常借助高分子材料并結合必要的成型技術將MOFs構筑成具有一定宏觀形狀的復合材料。最近，靜電紡聚合物纖維與 MOFs 的復合材料得到了研究者的青睞，并將其用于水中污染物的吸附去除。通常有兩種方式可以獲得聚合物/MOFs復合靜電紡纖維：混合紡絲和表面包覆?；旌霞徑z法獲得的復合纖維可以使MOFs穩定負載于纖維上，但是大部分MOFs位于纖維內部，阻礙了MOFs與水中污染物的充分接觸。表面包覆法獲得的復合纖維能夠使MOFs與污染物充分接觸，但是表面負載的MOFs容易脫落、造成二次污染。如果能將兩種方式獲得的復合靜電紡纖維的優勢整合將極大提高聚合物/MOFs復合靜電紡纖維去除水中抗生物污染物的應用潛力。
圖1. （a, b）帶孔的ZIF-8/PAN復合纖維的制備過程示意圖。（c）ZIF-8與PAN、PVP的結合能。（d）帶孔的ZIF-8/PAN復合纖維的宏觀圖片。（e, f）帶孔的ZIF-8/PAN復合纖維的SEM圖。（g）ZIF-8的結構圖。（h）帶孔的ZIF-8/PAN復合纖維的多維尺寸。
針對上述問題，東北師范大學化學學院趙銳等人將聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）作為造孔犧牲模板劑在ZIF-8/聚丙烯腈（PAN）混合電紡纖維上構筑連通的介孔通道。PVP不但可以作為造孔劑還在MOFs合成過程中起到降低ZIF-8顆粒尺寸的作用，增加ZIF-8與PAN的接觸面積、提高相容性。相比于以往聚合物/MOFs混紡纖維的合成中MOFs材料要提前合成好再加入到紡絲液中，本研究中的MOFs合成液可以直接用來溶解高分子獲得紡絲液，纖維制備過程更加簡單、高效。
展開 基于Gromacs的蛋白分子識別研究
整體來講，APOE3和APOE4在模擬過程中蛋白的整體柔性分布基本一致，變化較大的區域主要原因是受到VAMP2結合的影響。APOE2與APOE4二者差別較大的區域主要有Ala237~Lys261和Arg191~Gly211。蛋白之間的相互作用可能導致這部分氨基酸殘基構象發生變化較其他區域劇烈，因此柔性更大。
圖4 APOE3和APOE4蛋白氨基酸殘基的柔性分布（a）以及各個區域在復合物結構中的位置（b）
VAMP2與APOE蛋白相互作用分析
氫鍵是生物大分子維持結構穩定性的重要作用力之一，也是蛋白-蛋白相互作用的重要形式。因此，為了進一步分析VAMP2與APOE2，APOE3和APOE4蛋白的相互作用，本文對MD模擬過程中VAMP2與APOE蛋白之間的氫鍵數量進行了統計分析，如圖5a所示。從圖中可以看出，模擬過程中APOE4與VAMP2之間的氫鍵數量一直比APOE3，APOE2更多，平均值分別為16.74和12.20，15.42.
氫鍵作用是可以增強VAMP2與APOE蛋白之間的親和力，為了進一步評價蛋白之間親和力的大小差異，圖5b給出了APOE2，APOE3和APOE4蛋白與VAMP2在模擬過程中的結合自由能隨模擬時間的變化。從圖中可以看出，APOE蛋白與VAMP2的結合能在60 ns之后基本穩定，APOE2，APOE3和APOE4與VAMP2的結合能平均值分別為-548.851±116.578 kJ/mol，481.21±110.52 kJ/mol和-568.57±140.47 kJ/mol。
通過分析APOE蛋白與VAMP2之間的氫鍵作用和結合能，可以發現VAMP2與APOE4之間的氫鍵作用更強，進而使得二者的親和力也更強。
展開 四川大學張新星教授團隊《Nat. Commun.》：軟骨啟發的非共價鍵組裝強韌化自修復材料
但非共價鍵結合力弱，導致自修復材料強度較低，極大限制了其應用領域，如何制備兼具優異機械強度和高修復效率的柔性材料仍然是材料科學領域的重大挑戰。
圖1 軟骨啟發的非共價鍵組裝強韌化自修復材料設計策略
近日，四川大學張新星教授團隊基于非共價鍵驅動二維WS2納米片在水性聚氨酯（PU）中組裝，構筑仿軟骨膠原纖維的交織網絡結構，利用高密度氫鍵在界面處的聚集效應制備高強自修復材料（圖1）。研究者通過二維單分子層和天然多酚芳香結構間的疏水相互作用，將WS2剝離成單層或少層納米片，利用WS2納米片上絡合的單寧酸多羥基結構與PU基體間的強氫鍵相互作用，構筑納米組裝網絡及高密度界面氫鍵，制備了拉伸強度達52.3 MPa，斷裂韌性282.7 MJ·m–3，斷裂伸長率1020.8%，修復效率80-100%的室溫自修復材料（圖2），遠高于現有自修復材料。采用變溫紅外光譜、界面結合能模擬、原位拉伸/小角x射線散射等表征計算了氫鍵網絡的斷裂重構及其界面增強機理。
圖2 WS2組裝納米網絡(a)，界面結合能計算(b)，及性能對比 (c)
通過這種仿軟骨編織結構及界面超分子網絡設計策略，有望制備力學性能媲美工程塑料，同時兼具優異自修復性能的高性能新材料，為航空航天、可穿戴電子等領域柔性器件的安全可靠運行提供關鍵材料。
展開 Nature子刊：吉林大學鈣鈦礦方面取得突破
然而遺憾的是，這種具有較強激子結合能的鈣鈦礦納米材料，在常溫常壓下并沒有展現出領域可重復的熒光性質（仍存在爭議），極大地限制了Cs4PbBr6鈣鈦礦材料的實際應用。
零維鈣鈦礦材料的發光特性與激子自陷態（ExcitonSelf-trapping）緊密相關，激子自陷態非常依賴于鈣鈦礦體系的維度，維度越低，越容易產生自陷態激子。調控鹵素鈣鈦礦的八面體扭曲程度，可以改善自陷態激子的復合發光，為提升零維鈣鈦礦材料的光學活性提供了有效途徑。基于此，鄒勃教授課題組提出了通過壓力效應調控全無機零維鈣鈦礦Cs4PbBr6八面體骨架的扭曲程度，從而改善內部激子自陷態發光性質的學術思路，發現壓力可以成功誘導Cs4PbBr6納米晶發生結構相變，實現了八面體扭曲程度的有效調控，從而實現了Cs4PbBr6納米晶的熒光從無到有，并逐漸增強。
張立軍教授課題組基于第一性原理材料模擬，協力解釋了背后的物理機制，發現壓力誘導發光可歸因于自陷態激子光學活性的增強和自陷態激子結合能的增大。該工作加深了對低維發光鈣鈦礦材料的構效關系及背后物理化學機制的理解，為設計、合成新型高效熒光鈣鈦礦納米材料提供了新思路。（來源：吉林大學）
簡介
該論文第一作者為吉林大學超硬材料國家重點實驗室在讀博士研究生馬志偉，通訊作者為肖冠軍副教授、張立軍教授、鄒勃教授。
展開 
基于石墨炔體異質結且濕穩性高的高效鈣鈦礦太陽能電池
將不同材料構筑器件發現GDY能明顯提高導電性，電子遷移率也顯著提高。
圖二：GDY/PVSK薄膜結構表征及工作原理圖
(a) 石墨炔的UPS光譜；
(b) 石墨炔的XPS光譜；
(c) 鈣鈦礦薄膜的UPS光譜以及結合能強度（插圖）；
(d) GDY/PVSK復合材料的結合能強度變化；
(e) PVSK/GDY體異質結的能帶結構工作原理示意圖；
(f) GDY/PVSK體異質結在鈣鈦礦層中的光生載流子運輸過程。
通過UPS表征證實了GDY和鈣鈦礦之間的能帶結構，進一步實驗發現鈣鈦礦薄膜與摻雜GDY的鈣鈦礦薄膜在HOMO無明顯差異，提出了GDY/PVSK體異質結模型，揭示了材料的工作原理。
圖三：不同GDY摻雜的器件的表征及性能測試
(a) 器件結構；
(b) GDY/PVSK體異質結太陽能電池的橫截面SEM圖；
(c) 不同比例GDY的電流-電壓密度曲線以及光電轉換效率統計學分布（插圖）；
(e) 不同比例GDY在最大光電轉換效率處測量的穩態輸出；
(f) 不同比例GDY太陽能電池的IPCE光譜；
(e) 不同比例GDY太陽能電池在暗場中的瞬態光電流。
將不同的薄膜材料構筑成太陽能電池，通過SEM表征不同膜的厚度。測試摻雜不同GDY含量的太陽能電池性能發現，隨著GDY量的增加，PVSK/GDY體異質結形成了高載流子遷移率和強的電子抽取能力。實驗顯示適當添加石墨炔可以有效的鈍化晶面和界面，抑制光生載流子的復合，獲得更高的FF，其光電轉換效率高達20.54%。
展開 中科大《Nature》子刊：性能比肩鉑金！堿性膜氫-氧燃料電池陽極
實驗表征與理論計算結合表明：合金化后，Ni向W轉移電子，其表面電子發生重排，Ni的d帶中心向遠離費米能級的方向偏移，使其擁有更強的OH結合能。同時，Ni5.2WCu2.2合金在費米能級處的PDOS最低，表明其具有最優的H結合能。Ni、W和Cu三種金屬協同調控合金表面的電子結構，從而賦予該非貴金屬Ni基三元合金HOR催化劑高活性和耐氧化性。
圖3.Ni5.2WCu2.2合金的電催化HOR活性以及穩定性測試。
相關研究受到國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、安徽省重點研究與開發計劃等項目的資助。
本文來源：中國科學技術大學。
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展開 北理工吳鋒院士團隊Adv. Energy Mater.：高容量磷功能化硬碳材料的儲鈉機理
圖2磷功能化硬碳材料的優化，不同P含量硬碳材料的SEM圖
（a）不同P含量硬碳材料的CO2吸附等溫線
（b）不同P含量硬碳材料的孔徑分布
（c）不同P含量硬碳材料的XRD圖
（d）PVP的熱重曲線
圖3不同P含量硬碳材料的電化學性能
（a）不同P含量硬碳材料的循環性能
（b）不同P含量硬碳材料的充放電曲線
（c）不同P含量硬碳材料，高于或低于0.1 V的充電容量總結柱狀圖
（d）硬碳HC和HC-P15的循環伏安曲線
圖4磷功能化硬碳材料的儲鈉機理
（a）不同P含量硬碳材料的XPS總譜
（b）HC-P15于P2p的XPS譜圖
（c）HC-P15于C1s的XPS譜圖
（d）磷功能化前后，其中P=O，P-O和P-C鍵形成的石墨層結構模型
（e）P=O，P-O和P-C鍵形成的碳結構示意圖
（f）五種對Na的吸附模型以及相應的結合能
基于XPS結果，可以得到磷在硬碳中的存在形式主要由P=O，P-O和P-C這三種，其在硬碳中分別與C結合，從而在一定程度上改善材料與Na的結合能。其中，P=O鍵存在兩種Na吸附模型。為判斷P的何種存在形式是提升儲鈉性能的最主要原因，通過第一性原理密度泛函理論計算并結合XPS結果，可以看出盡管P-O在硬碳中所占比重大，但P=O和P-C與Na的結合能明顯高于C和P-O，說明HC-P15表現出的超高容量主要由于P=O和P-C鍵加強了硬碳與Na的結合能。
展開 一種提升碳納米管/聚二甲基硅氧烷納米復合材料界面熱傳輸的微結構焊接工藝
圖5.a) GS-w-CNT/PDMS沿z方向的溫度梯度，b) GS-w-CNT/PDMS的導熱系數，c)熱阻和界面結合能計算模型，d) CNT與GS之間的界面結合能和熱阻。
圖6. a) CNT與PDMS和b) CNT與GS-w-CNT在不同GS焊接重量百分比下的VPS，c) CNT、PDMS的VPS曲線與GS的不同權重百分比之間的重疊因子，d) CNT與GS之間聲子耦合傳熱示意圖(箭頭表示輸運方向)。
圖7.a)碳納米管的VPS曲線分解為y和z方向，b)碳納米管VPS曲線在y和z方向上的重疊因子，c)碳納米管中y方向和z方向聲子傳熱示意圖。
END
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