华法林作为口服维生素K拮抗剂几十年来广泛应用于治疗血栓类疾病。 因此针对华法林的物理化学性质的研究成为了人们的重点。 通过含时密度泛函理论(TD-DFT), 模拟了华法林分子在水溶液状态下与人血清蛋白结合过程中几种状态的紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)与荧光光谱, 研究不同状态在激发过程中的跃迁方式和电荷转移过程, 以及光谱的差异, 探究整个动力学过程的激发态变化机理。 结果表明, 华法林在水溶液中紫外-可见吸收光谱表现出双吸收现象, 双吸收现象主要由不同的激发态跃迁导致。 未去质子化前, 主要吸收峰波长为291 nm, 去质子化后, 吸收强度降低, 波长红移, 当华法林与血清蛋白结合后发生电荷转移导致吸收增益, 波长307 nm吸收峰强度最高。 通过计算第一激发态(S1)的结构和激发能模拟华法林不同状态的荧光光谱, 最初状态下荧光峰为360 nm, 去质子化后, 荧光强度降低, 波长红移, 结合后结构变化导致荧光增益。 根据华法林的荧光光谱变化情况, 说明其在整个动力学过程中存在不同的荧光发射过程。 通过分子前线轨道分析和电子-空穴分析研究整个动力学过程的电荷转移情况, 表明华法林单体的荧光发射过程为局域激发, 与蛋白质结合后荧光发射过程为电荷转移激发, 结合后的荧光增益特征使华法林可以作为荧光探针。 该研究揭示了华法林与蛋白结合过程中光谱变化机理, 为以后探究分子结合动力学过程提供新型研究手段和理论支撑。

为了探讨1维微尺度热传导模型不同激光能量对石墨转化纳米金刚石相变机理的影响，采用基于密度泛函理论的分子动力学方法模拟优化后的石墨结构，用有限差分法计算了激光辐照石墨表面的温度分布; 基于sp3杂化键可以明显地区分金刚石和石墨结构，根据能量耦合得到不同激光能量条件下辐照石墨的态密度带隙，研究了碳原子键合条件。结果表明，只有当激光能量达到5 J时，才能形成少量sp3杂化碳原子; 随着激光能量的增加，液相下受辐照的石墨表面的温度随之增加，碳原子中的自由电子更容易移动到成键分子轨道，电子的电负性增强，从而增强sp3键的极性，并有助于将sp2键转变为sp3键。该研究结果对在液相激光辐照下提升纳米金刚石制备效率、探究纳米金刚石制备机理有重要的现实意义。

以硫酸铵废水为原料，采用水热法制备了无水硫酸钙晶须(CSW)。首先研究了十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和不同聚合度的聚乙二醇(PEG)对CSW生长行为的影响。然后用Materials Studio 2020软件对SDBS吸附在CSW表面进行分子动力学模拟，计算得到各晶面吸附能。结果表明，产物均为正交晶系的CSW。未加添加剂制备出的CSW平均长度为65.27 μm，长径比为40，但表面粗糙，分布不均匀。加入4%(质量分数)SDBS制备出的CSW形貌最优，分布均匀，表面光滑且均为针状，平均长度为136 μm，长径比为62。SDBS能促进CSW以螺旋位错的形式沿轴向生长，提高CSW长径比。

本文以磷石膏为原料蒸压制备半水硫酸钙晶须, 采用数字显微镜、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等微观测试方法对Mg2+作用下的半水硫酸钙晶须微观形貌、组成及晶面发育情况等进行试验研究, 运用分子动力学技术模拟计算Mg2+在半水硫酸钙晶体晶面的相互作用能和径向分布函数, 两者结合探讨Mg2+对半水硫酸钙晶体不同晶面结晶习性的影响。结果表明, Mg2+和半水硫酸钙晶体不同晶面的相互作用能从小到大顺序为: ΔE(200)<ΔE(002)<ΔE(400)<ΔE(020)<ΔE(204), 即Mg2+主要吸附在半水硫酸钙晶体的(200)、(002)、(400)晶面上。Mg2+与SO2-4间的作用距离小于Ca2+与SO2-4间的作用距离, Mg与S之间产生了明显的电子效应, 且电子效应随硫酸镁掺量的增加而增强, XRD衍射峰位置随硫酸镁掺量的增多向右偏移变得更加明显, 说明有少量的Mg2+嵌入半水硫酸钙晶格。在硫酸镁掺量0.15%(质量分数, 下同)时, 优先促进晶体c轴方向的生长, 使半水硫酸钙晶须呈细长针状, 平均长度为47.29 μm, 平均长径比为36.07; 在硫酸镁掺量为0.30%时, 抑制晶体沿c轴和径向的生长, 使半水硫酸钙晶须呈细短针状, 平均长度为39.72 μm, 平均长径比为28.91。

在地热环境下水泥水化初期, 单硫型硫铝酸盐(AFm)易与硫酸根在孔隙或界面处生成延迟钙矾石(DEF), 导致混凝土膨胀开裂。本文采用溶液法模拟钙矾石(AFt)生成的温湿耦合液相环境, 通过分子动力学模拟方法研究AFt在常温和地热环境下的内部结构变化, 确定DEF的生成温度界限和水泥中石膏临界掺量。结果表明, 地热高温环境会影响AFt晶体在(100)、(110)晶面上的生长, 导致AFt生成量随温度升高逐渐减少; 70~75 ℃为AFt转变为AFm的关键温度区间, 但在75 ℃以上液相环境中AFt依然能够生成, 转化的AFm含量会随温度增加而逐渐增多; 高温对水泥早期水化生成AFt具有促进作用, 但随着养护龄期增长, 高温会造成早期生成的AFt逐渐转化为AFm; 混凝土中AFt生成量随石膏掺量增大而增加, 质量分数为4%左右的石膏是适宜掺量; 分子动力学模拟结果同样表明AFt在常温下结构稳定, 而在地热条件下结构发生改变。

固态锂电池因其具有高能量密度等优势, 被认为是最具潜力的下一代电池技术之一。固态锂电池的诸多优势源于其中固态电解质材料的使用。机器学习方法的兴起为锂电池固态电解质研究提供了新的机遇。机器学习可以拓展传统理论模拟方法在固态电池研究中的应用边界, 推动高精度、跨尺度模拟方法的发展; 预测固态电解质离子导率、力学性质等关键指标, 在原子层面理解固态电解质的构效关系, 实现高性能固态电解质的高通量筛选; 辅助固态电池实验研究, 指导新型固态电解质合成, 深入定量解析固态电池谱学表征。因此, 机器学习方法的引入及其与理论模拟、实验之间的深度耦合将极大地推动固态电解质研究, 促进固态锂电池的实用化进程。

富勒烯和金属富勒烯具有独特结构和新奇电子特性, 在生物医药、量子、信息等领域具有巨大的应用潜力。然而, 如何提高产量是金属富勒烯走向实际应用的一个必须解决的关键技术难题。要高产量、高选择性的合成金属富勒烯, 弄清形成机理、开发新的合成方法是必由之路。本工作聚焦于全面剖析富勒烯和金属富勒烯的形成机理, 为突破其产能瓶颈探明道路。一方面, 利用密度泛函理论计算和分子动力学模拟富勒烯的形成过程, 指导优化富勒烯的合成条件。另一方面, 精确控制金属富勒烯合成的惰性气体压力、电弧区组分以及原料组成等条件, 制备了一系列具有特定结构和功能的金属富勒烯, 发展了金属富勒烯的高效制备策略。最后, 还探究了金属富勒烯形成后的保护方法, 并取得了一定成效, 为将来金属富勒烯的产业化奠定了坚实基础。

掺入化学外加剂是提升水泥基材料性能的有效方法。然而, 各类化学外加剂在分子尺度上的作用机制仍需进一步明晰。水化硅酸钙(C-S-H)作为水泥水化的主要产物, 控制着水泥基材料的各项宏观性能。分子动力学模拟可在分子/原子尺度上揭示化学外加剂分子与C-S-H的相互作用及其对C-S-H性能的影响。综述了近年来针对有机和无机化学外加剂与C-S-H在分子尺度上的相互作用及其对C-S-H性能影响机理的分子动力学研究进展, 并展望了关于化学外加剂-(C-S-H)体系分子动力学模拟的后续研究方向。总结的化学外加剂包括有机小分子、树脂和纤维、水溶性聚合物等有机外加剂, 以及(改性)石墨烯、硅烯、碳纳米管、各类纳米粒子等无机外加剂。分子动力学模拟研究重点关注各类外加剂与C-S-H界面的相互作用, 这一作用的理解有助于揭示外加剂对C-S-H材料力学性能的提升机理。此外, 针对有机小分子、水溶性聚合物及部分纳米粒子等外加剂, 大量研究采用分子动力学方法, 揭示此类外加剂对C-S-H层状结构的吸附、插层、聚集阻塞等微观作用, 从而阐明这些外加剂对C-S-H力学性能、传输性能, 乃至收缩行为的作用机理。这些认识, 为有效提升水泥基材料性能、外加剂分子结构设计提供理论启发。