2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——化學(xué)分子模擬技術(shù)發(fā)展考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、分子模擬技術(shù)已成為現(xiàn)代化學(xué)研究不可或缺的工具。請(qǐng)簡述分子模擬的基本思想，并比較量子化學(xué)計(jì)算方法（如DFT）與分子力學(xué)（MM）方法的原理、適用范圍和主要優(yōu)缺點(diǎn)。二、分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)行為的重要方法。請(qǐng)回答以下問題：1.簡述NVT系綜和NPT系綜的物理意義及其在MD模擬中的應(yīng)用場景。2.MD模擬中，時(shí)間步長選擇需要考慮哪些因素？過小或過大可能帶來什么問題？3.除了平衡結(jié)構(gòu)優(yōu)化和動(dòng)力學(xué)過程研究，MD模擬還能用于分析哪些方面的性質(zhì)？三、密度泛函理論（DFT）因其相對(duì)較低的計(jì)算成本和較好的精度，在資源化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。請(qǐng)結(jié)合資源化學(xué)的具體實(shí)例（如礦物表面、催化反應(yīng)、材料結(jié)構(gòu)等），說明DFT計(jì)算可以解決哪些科學(xué)問題，并簡述進(jìn)行DFT計(jì)算時(shí)需要注意的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和可能的挑戰(zhàn)。四、力場是分子力學(xué)（MM）模擬的基礎(chǔ)。請(qǐng)回答：1.簡述力場的基本構(gòu)成要素（如鍵長、鍵角、非鍵作用等）及其物理意義。2.力場構(gòu)建通常需要哪些步驟？簡述其中關(guān)鍵步驟。3.評(píng)價(jià)一個(gè)力場的優(yōu)劣通?？紤]哪些標(biāo)準(zhǔn)？為什么在資源化學(xué)研究中開發(fā)特定體系的力場可能比較困難？五、化學(xué)分子模擬技術(shù)正在經(jīng)歷快速發(fā)展，新興的計(jì)算方法和計(jì)算化學(xué)與其他學(xué)科的交叉融合日益顯著。請(qǐng)結(jié)合資源化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，討論以下兩個(gè)方面的內(nèi)容：1.人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)如何賦能化學(xué)分子模擬，特別是在加速材料發(fā)現(xiàn)、反應(yīng)機(jī)理預(yù)測等方面？2.面對(duì)日益復(fù)雜的資源化學(xué)體系（如多組分體系、非平衡過程、極端條件下的反應(yīng)等），化學(xué)分子模擬面臨哪些主要的挑戰(zhàn)？未來的發(fā)展方向可能有哪些？六、請(qǐng)以“利用分子模擬技術(shù)研究某種新型鋰離子電池正極材料的設(shè)計(jì)或性能優(yōu)化”為例，設(shè)計(jì)一個(gè)簡要的研究方案。方案應(yīng)包括研究目標(biāo)、擬采用的模擬方法（至少兩種）、關(guān)鍵的模擬參數(shù)設(shè)置或需要計(jì)算的物理量、以及如何分析模擬結(jié)果以評(píng)估材料性能或指導(dǎo)設(shè)計(jì)。七、分子模擬技術(shù)為揭示資源化學(xué)過程中一些難以通過實(shí)驗(yàn)觀察的現(xiàn)象提供了獨(dú)特的視角。請(qǐng)選擇一個(gè)你感興趣的資源化學(xué)過程（例如，CO2捕獲與轉(zhuǎn)化、金屬離子吸附與分離、礦物浮選過程模擬等），論述分子模擬技術(shù)在該過程中可以扮演的角色，它能提供哪些關(guān)鍵信息，以及如何利用這些信息來加深對(duì)該過程的理解或推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。試卷答案一、分子模擬的基本思想是利用計(jì)算機(jī)建立體系的數(shù)學(xué)模型（通常是原子或分子的力學(xué)模型或量子力學(xué)模型），通過求解相應(yīng)的物理方程（如牛頓運(yùn)動(dòng)方程或薛定諤方程）來模擬體系的結(jié)構(gòu)和行為隨時(shí)間或能量的變化。與實(shí)驗(yàn)相比，模擬可以在非平衡態(tài)下進(jìn)行，可以觀察微觀細(xì)節(jié)，可以研究實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的條件，并且可以提供連續(xù)變量的信息。量子化學(xué)計(jì)算方法基于量子力學(xué)原理，能夠更準(zhǔn)確地描述電子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵合和反應(yīng)機(jī)理，尤其適用于研究小分子體系、強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系或需要高精度電子性質(zhì)的情況。其優(yōu)點(diǎn)是精度高，能夠揭示根本的化學(xué)規(guī)律。缺點(diǎn)是計(jì)算量隨體系規(guī)模（原子數(shù)）迅速增加，對(duì)于大體系計(jì)算成本極高，且需要專業(yè)的理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。分子力學(xué)方法基于經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)（力場），通過模擬原子間的相互作用來預(yù)測體系的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算成本相對(duì)較低，可處理非常大的體系（如生物大分子、材料），計(jì)算速度快。缺點(diǎn)是精度相對(duì)較低，依賴于力場的質(zhì)量和適用范圍，無法描述電子結(jié)構(gòu)變化。適用范圍上，MM適用于研究結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)性質(zhì)和相對(duì)較慢的動(dòng)力學(xué)過程，尤其是在力場參數(shù)化的體系內(nèi)；DFT則適用于需要了解電子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵合、反應(yīng)能壘等更深層次信息的體系。二、1.NVT系綜（正則系綜）保持體系的粒子數(shù)（N）、體積（V）和溫度（T）恒定，適用于研究在恒溫條件下體系的平衡性質(zhì)和系綜平均性質(zhì)，如熱力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)分布等。NPT系綜（正則系綜）保持體系的粒子數(shù)（N）、壓強(qiáng)（P）和溫度（T）恒定，通過耦合壓強(qiáng)耦合器（如Nose-Hoover或Andersenthermostat）來模擬體系在恒壓下的行為。它適用于研究體系在恒壓條件下（如與外界有壓力交換時(shí)）的平衡性質(zhì)、體積隨溫度的變化等。2.MD模擬中，時(shí)間步長選擇需要考慮計(jì)算精度和穩(wěn)定性。時(shí)間步長過小，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量巨大，效率低下；時(shí)間步長過大，可能導(dǎo)致能量或動(dòng)量不守恒，產(chǎn)生虛假的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，甚至使模擬過程不穩(wěn)定發(fā)散。通常需要通過測試（如模擬一個(gè)已知精確解的系統(tǒng)，觀察能量守恒情況）來確定一個(gè)合適的時(shí)間步長，對(duì)于經(jīng)典MD，通常在0.1-2.0fs之間。3.除了平衡結(jié)構(gòu)優(yōu)化和動(dòng)力學(xué)過程研究，MD模擬還能用于分析體系的徑向分布函數(shù)（RDF）以研究局部結(jié)構(gòu)、計(jì)算各種熱力學(xué)性質(zhì)（如自由能、熵）、研究分子擴(kuò)散系數(shù)、滲透率、粘度等輸運(yùn)性質(zhì)、模擬相變過程（如熔化、結(jié)晶）、研究分子間的相互作用和碰撞過程、以及模擬生物分子（如蛋白質(zhì)）的折疊、構(gòu)象變化和與配體的結(jié)合等。三、DFT計(jì)算可以解決資源化學(xué)中的多種科學(xué)問題。例如：*預(yù)測和解釋礦物表面的吸附能、選擇性，用于指導(dǎo)催化反應(yīng)或吸附分離過程。*計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的能壘，揭示反應(yīng)機(jī)理，優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)。*研究材料的電子結(jié)構(gòu)、帶隙、導(dǎo)電性等，用于設(shè)計(jì)新能源材料（如電池電極、光催化劑）或功能材料。*模擬地質(zhì)過程中的礦物相變、元素遷移規(guī)律。*理解金屬離子在材料或環(huán)境介質(zhì)中的賦存狀態(tài)和遷移行為。進(jìn)行DFT計(jì)算時(shí)需要注意的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括：選擇合適的交換關(guān)聯(lián)泛函（影響計(jì)算精度和成本）、選擇恰當(dāng)?shù)幕M（決定計(jì)算精度和成本）、設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)、合理構(gòu)建模型（如考慮周期邊界條件、設(shè)置截?cái)喟霃降龋⑦x擇合適的計(jì)算軟件和硬件資源?？赡艿奶魬?zhàn)包括：計(jì)算成本仍然較高，尤其對(duì)于大體系；泛函和基組的精度限制；模型構(gòu)建的近似性；結(jié)果解釋需要結(jié)合化學(xué)直覺和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。四、1.力場的基本構(gòu)成要素及其物理意義：鍵長參數(shù)描述化學(xué)鍵的伸縮長度；鍵角參數(shù)描述原子連接成的三角平面內(nèi)的夾角；角鍵角參數(shù)（或稱“四體作用”）描述三個(gè)化學(xué)鍵構(gòu)成的四面體角度偏轉(zhuǎn)；非鍵相互作用參數(shù)（包括Lennard-Jones勢描述范德華力，有時(shí)也包括靜電相互作用參數(shù)）描述不存在化學(xué)鍵的原子或分子間的相互作用，力場通過這些參數(shù)來模擬原子間的能量與距離、角度的關(guān)系。2.力場構(gòu)建通常需要以下步驟：選擇或構(gòu)建一個(gè)“主結(jié)構(gòu)”（hoststructure），通常是基于實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)或高精度計(jì)算結(jié)果；通過能量最小化或分子動(dòng)力學(xué)模擬優(yōu)化該主結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)；選擇一個(gè)合適的力場類型；將主結(jié)構(gòu)中的化學(xué)鍵、角度等連接方式映射到所選力場中，并確定或調(diào)整力場參數(shù)（如鍵長、鍵角、非鍵參數(shù)）；通過比較力場計(jì)算的結(jié)構(gòu)/能量與實(shí)驗(yàn)/高精度計(jì)算結(jié)果，對(duì)力場參數(shù)進(jìn)行擬合或調(diào)整；驗(yàn)證構(gòu)建的力場在目標(biāo)體系或其他相關(guān)體系上的適用性。3.評(píng)價(jià)一個(gè)力場的優(yōu)劣通?？紤]計(jì)算精度（模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)或高精度計(jì)算的吻合程度）、計(jì)算效率（計(jì)算速度和資源消耗）、適用范圍（能準(zhǔn)確描述多廣泛的化學(xué)體系或結(jié)構(gòu)）、參數(shù)化的魯棒性（參數(shù)變化對(duì)結(jié)果的影響程度）以及參數(shù)化的便捷性。在資源化學(xué)研究中開發(fā)特定體系的力場可能比較困難，因?yàn)樵S多涉及特殊元素（如過渡金屬、主族元素形成復(fù)雜配位結(jié)構(gòu)）、復(fù)雜化學(xué)環(huán)境（如地殼高溫高壓條件下的礦物結(jié)構(gòu)）或特殊相互作用（如強(qiáng)氫鍵、特定的表面效應(yīng)），缺乏足夠的高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)或高精度計(jì)算數(shù)據(jù)用于指導(dǎo)參數(shù)構(gòu)建和驗(yàn)證。五、1.人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)可以通過多種方式賦能化學(xué)分子模擬：首先，AI/ML可以用于加速傳統(tǒng)計(jì)算。例如，通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測分子性質(zhì)（如能量、熵、反應(yīng)能壘），替代部分耗時(shí)的量子化學(xué)計(jì)算；或者用于加速分子動(dòng)力學(xué)模擬，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測非鍵相互作用力，實(shí)現(xiàn)更快的力場評(píng)價(jià)。其次，AI/ML可以用于參數(shù)化分子力場，自動(dòng)生成或優(yōu)化能更準(zhǔn)確地描述特定體系行為的力場參數(shù)。第三，AI/ML可以用于探索化學(xué)空間，通過生成算法設(shè)計(jì)新型分子或材料，然后利用模擬技術(shù)評(píng)估其性能，實(shí)現(xiàn)模擬與實(shí)驗(yàn)的協(xié)同篩選。第四，AI/ML可以分析復(fù)雜的模擬數(shù)據(jù)，識(shí)別潛在的構(gòu)象、反應(yīng)路徑或物理規(guī)律，揭示傳統(tǒng)方法難以發(fā)現(xiàn)的模式。在資源化學(xué)領(lǐng)域，例如，可以利用ML預(yù)測礦物的相變溫度、催化劑的最佳活性位點(diǎn)或吸附結(jié)構(gòu)、電池材料的循環(huán)穩(wěn)定性等。2.面對(duì)日益復(fù)雜的資源化學(xué)體系，化學(xué)分子模擬面臨的主要挑戰(zhàn)包括：計(jì)算成本仍然隨體系規(guī)模（原子數(shù)）和模擬時(shí)間（時(shí)長）增長，難以模擬真正的大尺度、長時(shí)間過程；多尺度問題，如何有效地連接微觀模擬（如原子尺度）與宏觀現(xiàn)象（如連續(xù)介質(zhì)尺度）；非平衡態(tài)過程模擬的挑戰(zhàn)，尤其是在開放體系中與環(huán)境的耦合；模擬結(jié)果的驗(yàn)證困難，尤其是在涉及復(fù)雜界面、動(dòng)態(tài)過程或與實(shí)驗(yàn)條件差異較大時(shí)；模型的不確定性和參數(shù)依賴性問題；如何將模擬結(jié)果有效地轉(zhuǎn)化為可操作的科學(xué)見解或工程應(yīng)用。六、簡要研究方案示例：研究目標(biāo)：通過分子模擬計(jì)算，評(píng)估不同元素?fù)诫s對(duì)新型鋰離子電池正極材料（如層狀氧化物L(fēng)iMO2，M=Ni,Co,Mn）晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、Li離子擴(kuò)散能壘和表面電化學(xué)性質(zhì)的影響，旨在篩選出具有更高容量、更快倍率性能和更好循環(huán)穩(wěn)定性的材料結(jié)構(gòu)。擬采用的模擬方法：1.密度泛函理論（DFT）計(jì)算：用于優(yōu)化純相及摻雜后材料的晶體結(jié)構(gòu)，計(jì)算電子結(jié)構(gòu)（態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)），評(píng)估Li離子在晶格內(nèi)的擴(kuò)散能壘（通過計(jì)算Li離子跳躍的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)及其能量），計(jì)算表面Li原子與電解液的吸附能，理解表面反應(yīng)機(jī)理。2.分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬：在DFT優(yōu)化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用合適的力場（如OPLS、TIP3P水模型），進(jìn)行NVT或NPT系綜的MD模擬，研究材料在高溫（模擬充電過程）下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、Li離子遷移行為（擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散路徑），模擬電解液分子與電極表面的相互作用。關(guān)鍵的模擬參數(shù)設(shè)置或需要計(jì)算的物理量：*DFT計(jì)算：選擇合適的交換關(guān)聯(lián)泛函（如PBE+U或更高級(jí)的泛函）和基組；計(jì)算晶格參數(shù)、形成能、態(tài)密度、能帶隙、Li離子跳躍能壘（通過過渡態(tài)搜索和NEB方法）、表面吸附能（計(jì)算表面原子與Li+或電解液分子的相互作用能）。*MD模擬：選擇合適的力場；設(shè)置模擬溫度（如300K-800K）、壓力（如1atm）、體系大?。紤]周期性邊界條件）、模擬時(shí)間（如1-10ns）；計(jì)算體系能量、壓力、擴(kuò)散系數(shù)；軌跡分析，提取Li離子擴(kuò)散路徑、均方位移（MSD）等。如何分析模擬結(jié)果以評(píng)估材料性能或指導(dǎo)設(shè)計(jì)：*通過比較不同摻雜元素的DFT計(jì)算得到的Li離子擴(kuò)散能壘，評(píng)估其對(duì)Li離子傳導(dǎo)率的影響。能壘越低，通常意味著擴(kuò)散越快。*通過DFT計(jì)算表面吸附能，判斷材料與電解液的相互作用強(qiáng)弱，預(yù)測其表面副反應(yīng)的傾向。合適的吸附能有利于形成穩(wěn)定的SEI膜，抑制副反應(yīng)。*通過MD模擬得到的Li離子擴(kuò)散系數(shù)和MSD曲線，定量評(píng)估材料的Li離子傳導(dǎo)性能。*通過MD模擬計(jì)算體系的熱力學(xué)性質(zhì)（如熱容），評(píng)估其在高溫下的穩(wěn)定性。*綜合分析結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、擴(kuò)散性能和表面電化學(xué)性質(zhì)，篩選出最優(yōu)的摻雜元素和濃度，為實(shí)驗(yàn)合成提供理論指導(dǎo)。七、以CO2捕獲與轉(zhuǎn)化過程為例，分子模擬技術(shù)可以扮演以下角色，提供關(guān)鍵信息，并加深理解或推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新：角色與信息：1.吸附機(jī)理研究：通過DFT計(jì)算CO2分子與吸附劑（如固體材料、液體溶劑、離子液體）表面的相互作用能、吸附位點(diǎn)、吸附構(gòu)型和電子轉(zhuǎn)移情況，揭示CO2被捕獲的原因（物理吸附或化學(xué)吸附）和具體機(jī)制。2.吸附劑設(shè)計(jì)與篩選：基于第一性原理計(jì)算，可以高通量地計(jì)算不同材料（無機(jī)、有機(jī)、金屬有機(jī)框架MOFs等）對(duì)CO2的吸附性能（吸附量、吸附能），指導(dǎo)新型高效吸附材料的設(shè)計(jì)。3.反應(yīng)路徑探索：利用DFT計(jì)算CO2在催化劑表面發(fā)生轉(zhuǎn)化（如加氫制甲醇、轉(zhuǎn)化制碳酸鹽等）的反應(yīng)能壘、過渡態(tài)結(jié)構(gòu)，揭示反應(yīng)機(jī)理，為優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件提供理論依據(jù)。4.催化劑性能評(píng)估：模擬可以預(yù)測催化劑的活性位點(diǎn)、選擇性、穩(wěn)定性（抗燒結(jié)、抗中毒能力）和壽命，幫助篩選和設(shè)計(jì)更優(yōu)異的催化劑。5.過程模擬與優(yōu)化：MD模擬可以研究CO2在多孔材料內(nèi)的擴(kuò)散行為、在流體體系中的溶解與傳輸過程，幫助優(yōu)化捕獲和轉(zhuǎn)化過程中的工程參數(shù)。加深理解與推動(dòng)創(chuàng)新：*模擬能夠揭示實(shí)驗(yàn)難以觀測的微觀過程，如CO2分子在材料孔道內(nèi)的擴(kuò)散路徑、在催化劑表面的吸附解吸動(dòng)態(tài)、反應(yīng)中間體的結(jié)構(gòu)等，從而深化對(duì)CO2捕獲轉(zhuǎn)化基本原理的認(rèn)識(shí)。*通