《高性能计算发展与应用》：2014年上海超级计算中心基础科学用户研究进展（王涛）

2 《高性能计算发展与应用》2015年第一期总第五十 2014年上海超级计算中心基础科学用户研究进展 ●王涛上海超级计算中心上海201203 tw ang ssc.netcn 上海超级计算中心魔方超级计算机全机系统2014年平均使用率为7563%。全年为7个新 用户开设了正式帐号,为个104新用户提供了试用服务。用户单位包括国家重点大学、中科院 硏究院所、重大装备制造企业、工程开发设计研究院等。据不完全统计,2014上海超算中心 用户共发表了217篇被科学引文索引(SCⅠ收录的论文,领域遍及物理、化学、天文、生物 等各个基础科学方向。这些论文均为上海超级计算中心计算平台支持产生,并在论文致谢中 明确提及上海超级计算中心。在上述的200多篇论文中,约有21篇(占总论文数的十分之一) 发表在国际顶级刊物《科学》( Science)、《自然》(Nate)及其子刊系列、《美国化学 会志》( OURNAL0 F THE AM ER ICAN CHEM ICAL S0C正TY)、《物理评论快报》( PHYSICAL REV IEW LETTER S)、《美国科学院报》( PROCEED NGSOFTHENATIONAL ACADEM Y OF SC IEN CESOFTHEUNTTED STATESOFAM ER ICA)、《德国应用化学国际 版》( ANGEW ANDTE CHEM正- N TERNATIONAL ED IT IO N)上。本文选取了其中的十篇 成果进行介绍,以方便广大读者进一步了解高性能计算在基础科学领域内的应用。这些成果均 为相关领域内的重要进展,在国际上引起了广泛关注 论文题目: In terfac ial E ffects in Iron- N ickel碍了研究者对催化剂作用机理和反应构效关系的深 H ydroxide-P latinum Nanopartic les enhance Cata lytic 入研究。 Oxidation 这项研究巧妙地运用湿化学方法制备了方便研 项目来源:国家自然科学基金、科技部基金等究贵金属-氧化物界面效应的模型纳米催化剂,结合 用户来源:厦门大学、中国科学院物理研究先进表征手段(亚埃级球差校正高分辨透射电子显 所、加拿大 Dalhousie university等 微镜、同步辐射X-射线吸收光谱、高灵敏低能离子 论文来源:《科学》第344卷第6183期,页号 散射谱等)和理论模拟(密度泛函计算)深入研究 495-499,2014年5月2日出版 了 Pt-FeN ioH)界面协同促进CO催化氧化的机理,并 本项研究由国内外多个课题组共同努力,历时基于此机理进一步发展了更为实用Pt基催化剂的制备 三年完成,在铂纳米复合催化剂的制备、表征及催方法,使反应活性界面从传统催化剂的一维向三维 化反应的过程机理方面的研究中取得了重要进展 发展,活性位与总铂原子数的比例可达50%以上。所 研究的实验工作在厦门大学、中国科学院物理研究研制的新型催化剂不仅能在室温下实现一氧化碳的 所、台湾同步辐射研究中心等机构完成,理论计算催化氧化,还可催化富氢条件下一氧化碳的选择性 作在上海超算中心计算平台上完成 氧化、富氧下少量氢气的清除,催化寿命可以长达 贵金属催化剂广泛应用于能源、环保、食品加1个月以上 工等重要化工领域。如何提升贵金属利用率,同时 相关工作发表在 Science344,495-4992014) 维持高的催化剂活性、选择性和长的使用寿命一直 是贵金属催化剂研制的核心问题。对于负载型贵金 属催化剂,氧化物载体与金属纳米颗粒之间存在着 微妙的金属-氧化物界面协同效应,因此不同氧化物 负载的金属纳米颗粒在催化反应中的表现有很大差 异。实际应用的催化剂体系往往过于复杂,很难通 过现有表征技术剖析相关催化界面的精细结构,阻 图1 Pt-feni0H)界面协同促进CO催化氧化

2 《高性能计算发展与应用》 2015年第一期 总第五十期 2014年上海超级计算中心基础科学用户研究进展  王 涛 上海超级计算中心 上海 201203 twang@ssc.net.cn 编者按： 上海超级计算中心魔方超级计算机全机系统2014年平均使用率为75.63%。全年为71个新 用户开设了正式帐号，为个104新用户提供了试用服务。用户单位包括国家重点大学、中科院 研究院所、重大装备制造企业、工程开发设计研究院等。据不完全统计，2014上海超算中心 用户共发表了217篇被科学引文索引（SCI）收录的论文，领域遍及物理、化学、天文、生物 等各个基础科学方向。这些论文均为上海超级计算中心计算平台支持产生，并在论文致谢中 明确提及上海超级计算中心。在上述的200多篇论文中，约有21篇（占总论文数的十分之一） 发表在国际顶级刊物《科学》（Science）、《自然》（Nature）及其子刊系列、《美国化学 会志》（JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY）、《物理评论快报》（ PHYSICAL REVIEW LETTERS）、《美国科学院报》（PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA）、《德国应用化学国际 版》（ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION）上。本文选取了其中的十篇 成果进行介绍，以方便广大读者进一步了解高性能计算在基础科学领域内的应用。这些成果均 为相关领域内的重要进展，在国际上引起了广泛关注。 论文题目：Interfacial Effects in Iron-Nickel Hydroxide-Platinum Nanoparticles Enhance Catalytic Oxidation 项目来源：国家自然科学基金、科技部基金等 用户来源：厦门大学、中国科学院物理研究 所、加拿大Dalhousie University等 论文来源：《科学》第344卷第6183期，页号： 495-499，2014年5月2日出版 本项研究由国内外多个课题组共同努力，历时 三年完成，在铂纳米复合催化剂的制备、表征及催 化反应的过程机理方面的研究中取得了重要进展。 研究的实验工作在厦门大学、中国科学院物理研究 所、台湾同步辐射研究中心等机构完成，理论计算 工作在上海超算中心计算平台上完成。 贵金属催化剂广泛应用于能源、环保、食品加 工等重要化工领域。如何提升贵金属利用率，同时 维持高的催化剂活性、选择性和长的使用寿命一直 是贵金属催化剂研制的核心问题。对于负载型贵金 属催化剂，氧化物载体与金属纳米颗粒之间存在着 微妙的金属-氧化物界面协同效应，因此不同氧化物 负载的金属纳米颗粒在催化反应中的表现有很大差 异。实际应用的催化剂体系往往过于复杂，很难通 过现有表征技术剖析相关催化界面的精细结构，阻 碍了研究者对催化剂作用机理和反应构效关系的深 入研究。 这项研究巧妙地运用湿化学方法制备了方便研 究贵金属-氧化物界面效应的模型纳米催化剂，结合 先进表征手段（亚埃级球差校正高分辨透射电子显 微镜、同步辐射X-射线吸收光谱、高灵敏低能离子 散射谱等）和理论模拟（密度泛函计算）深入研究 了Pt-FeNi(OH)x界面协同促进CO催化氧化的机理，并 基于此机理进一步发展了更为实用Pt基催化剂的制备 方法，使反应活性界面从传统催化剂的一维向三维 发展，活性位与总铂原子数的比例可达50%以上。所 研制的新型催化剂不仅能在室温下实现一氧化碳的 催化氧化，还可催化富氢条件下一氧化碳的选择性 氧化、富氧下少量氢气的清除，催化寿命可以长达 1个月以上。 相关工作发表在Science 344, 495-499 (2014)。 图1 Pt-FeNi(OH)x界面协同促进CO催化氧化

综合评论 3 论文题目: U ltrathin rhod ium nanosheets 重要的应用前景,是凝聚态物理与材料科学领域最 项目来源:国家自然科学基金等 具挑战意义的前沿方向之一。由于铁电与铁磁性的 用户来源:清华大学、新加坡国立大学、日本互斥,很难在单相材料中实现室温多铁性。日前, 名古屋大学等 唯一公认的典型单相室温多铁性材料仅有BFe03。需 论文来源:《自然通讯》第5卷,论文号 要指出的是,虽然Bie03具有强铁电性,但它是反铁 3093,2014年1月17日出版 磁体,仅能表现出弱铁磁性。因此,目前室温多铁 本项研究首次成功制备了单原子层纳米铑片 性的实现更多地依赖于铁磁/电复合材料与异质结 其中的理论计算工作使用了上海超算中心魔方计算构 平台 该工作提出了一种构筑室温多铁性材料的崭新 自石墨烯发现以来,含离域大P键的单层材料备思路,即将本身不具铁电性的两种双钙钛矿铁磁体 受科学界关注,主要集中在具有层状结构相关材料形成超晶格,利用两者不相等的阳离子反向平行位 体系。迄今为止,具有离域电子特性的单原子层的移诱导非本征铁电性 m proper lectricity)。然后基 金属结构未见报道,主要原因在于金属键无方向性于第一性原理计算与蒙特卡罗模拟,从理论上预言 而易于形成三维的紧密堆积结构。清华大学利用弱了一种近室温多铁性新材料。这种多铁性新材料于 配体聚乙烯吡咯烷酮ρVP)稳定的甲醛还原金属铑, 室温附近具有铁磁铁电共存、且性能可调的特点 成功制备出第一例单原子层厚度的纳米金属铑片 可望为室温多铁性材料的研究带来新的契机 球差电镜和同步辐射研究均证实了这一新颖的单原 相关工作发表在 Nature Com m unication5,4021 子层金属结构。在上海超算中心计算平台上进行的 2014) 理论研究发现,单原子层铑片中存在着一种新型的 离域大化学键,有助于稳定其单层金属结构。 这项研究进展为进一步推动金属纳米与团簇、 丰富发展重金属元素的化学成键理论研究具有重要 意义,为探索金属原子单层结构与性能研究提供了 重要启示。 相关工作发表在 Nature Com m un ication5,3093 图3R2NMnO6a2NMnO6超晶格材料 2014)。 论文题目:High- m obility transport an isotropy and linear dichroism in few-layerb lack phosphorus 项目来源:国家自然科学基金、科技部基金 北京市自然科学基金等 用户来源:中国人民大学、四川师范大学 图2实验及计算模拟的电子衍射图谱 论文来源:《自然通信》第5卷,论文号 4475,2014年7月21日出版 论文题目: Near room- tem pera 本项研究在多层黑磷材料的研究中取得了重要 m aterials with tunable fenom agnetic and electrical 进展。 propertes 此项研究在国际上首次使用理论计算对多层黑 项目来源:国家自然科学基金、教育部创新团磷材料的几何和电子结构进行了系统研究,发现了 队发展计划、上海市教委曙光计划和东方学者计划等多层黑磷的奇特物性,独立预测多层黑磷材料的直 用户来源:浙江大学美国 U niversity ofA rkansas.、接带隙半导体特性、层厚相关带隙调控、高载流子 上海大学等 迁移率和各向异性的力学和输运性质,并与实验相 论文来源:《自然通讯》第5卷,论文号:互印证:此外,研究还预言了该材料特殊的层间作 4021,2014年5月28日出版 用机制和光学线性二色性。这些研究结果开拓了电 本项研究在多铁性材料研究中取得了重要进子信息材料研究的新领域,为寻找新兴光电信息材 展 料提供了新思路,并为深入理解该材料的物理、化 多铁性材料 M utiferroic m aterials)是指同时拥有铁 学特性提供了重要证据 电、铁磁与铁弹三种初级铁性质中的两种或两种以 随着电子器件的尺寸不断减小,工业界一直在 上的材料,其在多态存储与弱磁场检测等方面有着寻找一种可以替代硅的新材料用于制造电子器件

综合评论 3 论文题目：Ultrathin rhodium nanosheets 项目来源：国家自然科学基金等 用户来源：清华大学、新加坡国立大学、日本 名古屋大学等 论文来源：《自然 通讯》第5卷，论文号： 3093，2014年1月17日出版 本项研究首次成功制备了单原子层纳米铑片， 其中的理论计算工作使用了上海超算中心魔方计算 平台。 自石墨烯发现以来，含离域大P键的单层材料备 受科学界关注，主要集中在具有层状结构相关材料 体系。迄今为止，具有离域电子特性的单原子层的 金属结构未见报道，主要原因在于金属键无方向性 而易于形成三维的紧密堆积结构。清华大学利用弱 配体聚乙烯吡咯烷酮(PVP)稳定的甲醛还原金属铑， 成功制备出第一例单原子层厚度的纳米金属铑片。 球差电镜和同步辐射研究均证实了这一新颖的单原 子层金属结构。在上海超算中心计算平台上进行的 理论研究发现，单原子层铑片中存在着一种新型的 离域大化学键，有助于稳定其单层金属结构。 这项研究进展为进一步推动金属纳米与团簇、 丰富发展重金属元素的化学成键理论研究具有重要 意义，为探索金属原子单层结构与性能研究提供了 重要启示。 相关工作发表在Nature Communication 5, 3093 (2014)。 图2 实验及计算模拟的电子衍射图谱 论文题目：Near room-temperature multiferroic materials with tunable ferromagnetic and electrical properties 项目来源：国家自然科学基金、教育部创新团 队发展计划、上海市教委曙光计划和东方学者计划等 用户来源：浙江大学、美国University of Arkansas、 上海大学等 论文来源：《 自 然 通 讯 》 第5卷 ， 论 文 号 ： 4021，2014年5月28日出版 本项研究在多铁性材料研究中取得了重要进 展。 多铁性材料(Mutiferroic materials)是指同时拥有铁 电、铁磁与铁弹三种初级铁性质中的两种或两种以 上的材料，其在多态存储与弱磁场检测等方面有着 重要的应用前景，是凝聚态物理与材料科学领域最 具挑战意义的前沿方向之一。由于铁电与铁磁性的 互斥，很难在单相材料中实现室温多铁性。目前， 唯一公认的典型单相室温多铁性材料仅有BiFeO3。需 要指出的是，虽然BiFeO3具有强铁电性，但它是反铁 磁体，仅能表现出弱铁磁性。因此，目前室温多铁 性的实现更多地依赖于铁磁/铁电复合材料与异质结 构。 该工作提出了一种构筑室温多铁性材料的崭新 思路，即将本身不具铁电性的两种双钙钛矿铁磁体 形成超晶格，利用两者不相等的阳离子反向平行位 移诱导非本征铁电性(improper ferroelectricity)。然后基 于第一性原理计算与蒙特卡罗模拟，从理论上预言 了一种近室温多铁性新材料。这种多铁性新材料于 室温附近具有铁磁铁电共存、且性能可调的特点， 可望为室温多铁性材料的研究带来新的契机。 相关工作发表在Nature Communication 5, 4021 (2014)。 图3 R2NiMnO6/La2NiMnO6超晶格材料 论文题目：High-mobility transport anisotropy and linear dichroism in few-layer black phosphorus 项目来源：国家自然科学基金、科技部基金、 北京市自然科学基金等 用户来源：中国人民大学、四川师范大学 论文来源：《自 然 通 信》 第5卷 ， 论 文 号 ： 4475，2014年7月21日出版 本项研究在多层黑磷材料的研究中取得了重要 进展。 此项研究在国际上首次使用理论计算对多层黑 磷材料的几何和电子结构进行了系统研究，发现了 多层黑磷的奇特物性，独立预测多层黑磷材料的直 接带隙半导体特性、层厚相关带隙调控、高载流子 迁移率和各向异性的力学和输运性质，并与实验相 互印证；此外，研究还预言了该材料特殊的层间作 用机制和光学线性二色性。这些研究结果开拓了电 子信息材料研究的新领域，为寻找新兴光电信息材 料提供了新思路，并为深入理解该材料的物理、化 学特性提供了重要证据。 随着电子器件的尺寸不断减小，工业界一直在 寻找一种可以替代硅的新材料用于制造电子器件

《高性能计算发展与应用》2015年第一期总第五十 尤其是逻辑器件。单(多)层黑磷被预测为可能的示,蛋白骨架上与氮原子结合的氢原子被铝离子取 替代材料。该研究表明,各向异性是多层黑磷的最代。 显著特征之 现在光学、电学和力学性质等方 由于分子机制的缺乏,长期以来金属离子与蛋 面。例如,单层黑磷可以在一个方向上吸收全部可 白积聚的研究进展缓慢。2011年,英国 Keele大学 见光,而在另一个方向上允许可见光全部通过。这 Chris Exley教授在 Nature评论中认为,如同“皇帝 些奇特性质的预测对多层黑磷材料的进一步应用具的新衣”一样,铝离子在近期的阿尔茨海默综合症 有重要意义 研究中一直被忽视。铝离子在蛋白骨架上诱导的环 相关工作发表在 Nature Com munication5,4475状结构,作为一种新的作用形式,为理解金属离子 2014) 与包括蛋白在内的生物分子作用机理提供了新的视 角,对揭示大脑相关疾病的分子机制有重要意义。 靠共 此研究成果有望在药物设计、生物纳米技术及环境 baco seale 治理等领域得到广泛的应用。 相关工作作为首页插图发表于Angw.Chem.ht Ed.53,6358-63632014) 图4多层黑磷材料结构及采用光学谱学方法确定多层黑 磷取向并由此制备器件的示意图 论文题目: Ireversible denaturation of proteins through A hum inum- Induced Form ation of Backbone R ing图5铝离子诱导的蛋白骨架环状结构及其对蛋白二级结 Structures 构的破坏 项目来源:国家自然科学基金、科技部基金 用户来源:中国科学院上海应用物理研究所、 N anosheetw ith Carmierbopiyy in MnPSes Exfoliated 中科院基金等 论文题目: H afm etallic 中国石油大学、新加坡材料与工程研究所等 项目来源:973、国家自然科学基金、中国科学 论文来源:《德国应用化学国际版》第53卷第院基金等 25期,页号:6357-6363,2014年6月出版 用户来源:中国科学技术大学 本项研究采用量子计算、经典分子动力学模拟 论文来源:《美国化学会志》第136卷第31期, 与同步辐射光电子谱PS)、圆二色谱CD)、核磁共页号:11065-11069,2014年8月6日出版 振谱《MR)等谱学实验相结合的方法,研究了铝离子 本项研究在自旋电子学材料的理论设计方面取 与蛋白的相互作用及对蛋白结构的影响,提出了金得新进展,使得制备电学可控的自旋电子学材料成 属离子与蛋白的一种新的作用形式 为可能。 上世纪70年代以来的研究表明,神经退行性疾 自旋电子学是基于电子的自旋进行信息的传 病例如,阿尔茨海默综合症、帕金斯氏综合症等递、处理与存储的,它具有目前传统微电子学无法 等)与蛋白积聚有关,其中金属离子例如,铝离子、 比拟的优势。在自旋电子学应用中,如何实现用电 铜离子)参与蛋白积聚。长期以来,金属离子与相关场调控载流子自旋取向是一个关键性的科学问题 蛋白的相互作用分子机理一直不清楚,部分原因来为解决此问题,研究组先前在概念上提出过一种新 自于量子模拟、经典模拟及实验技术的各自局限性。 型的自旋电子学材料,即双极磁性半导体。此类材 不同于以往的观点金属离子主要作用于蛋白的料具有特殊的能带构造,通过它的电流不仅可以达 侧链),该项工作提出:通过取代神经退行性疾病相到完全的自旋极化,而且载流子的自旋取向可以简 关的蛋白骨架上与氮原子结合的氢原子,铝离子可单地通过加门电压的方法直接进行调制。然而,设 以同时与骨架上的氮原子、氧原子形成共价键,导计出实验上容易制备的双极磁性半导体材料一直是 致环状结构,进而严重破坏蛋白的二级结构,使蛋 个难题 白产生不可逆的变性和积聚。他们使用PGK蛋白通 本项研究基于实验上已经制备出的三维层状 过同步辐射和NMR实验证明了这一点:1)CD实验显晶体 M nPSe3,提出可通过液相剥离的方法制备出 示,铝离子可以使PGK蛋白不可逆变性、积聚:2)维的 M nPSe3纳米片,而该纳米片具有双极磁性半导 同步辐射XPS实验表明,积聚物上的铝离子被显著还体的功能。研究的理论预测,在无掺杂的情况下 原,与理论计算得到的XPS值一致:3)NMR实验显 M nPSe3纳米片是弱反铁磁半导体,而在一定的电子

4 《高性能计算发展与应用》 2015年第一期 总第五十期 尤其是逻辑器件。单（多）层黑磷被预测为可能的 替代材料。该研究表明，各向异性是多层黑磷的最 显著特征之一，体现在光学、电学和力学性质等方 面。例如，单层黑磷可以在一个方向上吸收全部可 见光，而在另一个方向上允许可见光全部通过。这 些奇特性质的预测对多层黑磷材料的进一步应用具 有重要意义。 相关工作发表在Nature Communication 5, 4475 (2014)。 图4 多层黑磷材料结构及采用光学谱学方法确定多层黑 磷取向并由此制备器件的示意图 论文题目：Irreversible Denaturation of Proteins through Aluminum-Induced Formation of Backbone Ring Structures 项目来源：国家自然科学基金、科技部基金、 中科院基金等 用户来源：中国科学院上海应用物理研究所、 中国石油大学、新加坡材料与工程研究所等 论文来源：《德国应用化学国际版》第53卷第 25期，页号：6357-6363，2014年6月出版 本项研究采用量子计算、经典分子动力学模拟 与同步辐射光电子谱(XPS)、圆二色谱(CD)、核磁共 振谱(NMR)等谱学实验相结合的方法，研究了铝离子 与蛋白的相互作用及对蛋白结构的影响，提出了金 属离子与蛋白的一种新的作用形式。 上世纪70年代以来的研究表明，神经退行性疾 病(例如，阿尔茨海默综合症、帕金斯氏综合症等 等)与蛋白积聚有关，其中金属离子(例如，铝离子、 铜离子)参与蛋白积聚。长期以来，金属离子与相关 蛋白的相互作用分子机理一直不清楚，部分原因来 自于量子模拟、经典模拟及实验技术的各自局限性。 不同于以往的观点(金属离子主要作用于蛋白的 侧链)，该项工作提出：通过取代神经退行性疾病相 关的蛋白骨架上与氮原子结合的氢原子，铝离子可 以同时与骨架上的氮原子、氧原子形成共价键，导 致环状结构，进而严重破坏蛋白的二级结构，使蛋 白产生不可逆的变性和积聚。他们使用PGK蛋白通 过同步辐射和NMR实验证明了这一点：1）CD实验显 示，铝离子可以使PGK蛋白不可逆变性、积聚；2） 同步辐射XPS实验表明，积聚物上的铝离子被显著还 原，与理论计算得到的XPS值一致；3）NMR实验显 示，蛋白骨架上与氮原子结合的氢原子被铝离子取 代。 由于分子机制的缺乏，长期以来金属离子与蛋 白积聚的研究进展缓慢。2011年，英国Keele大学 Chris Exley教授在Nature评论中认为，如同“皇帝 的新衣”一样，铝离子在近期的阿尔茨海默综合症 研究中一直被忽视。铝离子在蛋白骨架上诱导的环 状结构，作为一种新的作用形式，为理解金属离子 与包括蛋白在内的生物分子作用机理提供了新的视 角，对揭示大脑相关疾病的分子机制有重要意义。 此研究成果有望在药物设计、生物纳米技术及环境 治理等领域得到广泛的应用。 相关工作作为首页插图发表于Angew. Chem. Int. Ed. 53, 6358-6363 (2014)。 图5 铝离子诱导的蛋白骨架环状结构及其对蛋白二级结 构的破坏 论文题目：Half-Metallicity in MnPSe3 Exfoliated Nanosheet with Carrier Doping 项目来源：973、国家自然科学基金、中国科学 院基金等 用户来源：中国科学技术大学 论文来源：《美国化学会志》第136卷第31期， 页号：11065-11069，2014年8月6日出版 本项研究在自旋电子学材料的理论设计方面取 得新进展，使得制备电学可控的自旋电子学材料成 为可能。 自旋电子学是基于电子的自旋进行信息的传 递、处理与存储的，它具有目前传统微电子学无法 比拟的优势。在自旋电子学应用中，如何实现用电 场调控载流子自旋取向是一个关键性的科学问题。 为解决此问题，研究组先前在概念上提出过一种新 型的自旋电子学材料，即双极磁性半导体。此类材 料具有特殊的能带构造，通过它的电流不仅可以达 到完全的自旋极化，而且载流子的自旋取向可以简 单地通过加门电压的方法直接进行调制。然而，设 计出实验上容易制备的双极磁性半导体材料一直是 一个难题。 本项研究基于实验上已经制备出的三维层状 晶体MnPSe3，提出可通过液相剥离的方法制备出二 维的MnPSe3纳米片，而该纳米片具有双极磁性半导 体的功能。研究的理论预测，在无掺杂的情况下， MnPSe3纳米片是弱反铁磁半导体，而在一定的电子

5 或空穴掺杂下,它转变为铁磁半金属,在费米能级 附近具有完全的自旋极化。更为重要的是,电子和 空穴掺杂下的载流子自旋极化方向是完全相反的 因此,借助这一体系有望实现电场对载流子自旋取 A,.comq°bm吗 (sensitie to the steric effect of R) 向的直接控制。此外,理论预测该材料的实验工作 温度显著高于液氮温度。这一工作为在实验上实现 电场调控自旋取向提供了一个切实可行的方案,有 RCO.-'D CHCO 望对自旋电子器件的研究与应用产生重要的影响。 (d.s. CH activation 相关工作发表在I.Am,Chem.Soc.136,11065- 图7镍催化唑与芳基羧酸酯偶联反应 l1069014)。 论文题目: Antiinfective therapy with a sm all carrier per atom m olecu le inhibitor ofs taphy coccus aureus sortase 项目来源:新药创制重大专项、国家自然科学 基金、863 用户来源:中国科学院上海药物所、美国The U niversity ofChicago、复旦大学等 论文来源:《美国科学院院刊》第111卷第 37期,页号:13517-13522,2014年9月16日出版 本项工作运用超级计算机,开展虚拟筛选研 图6掺杂 M nPSe纳米片的半金属性 究,实现“育”菌不杀的抗细菌致病力调节 细菌耐药已成为当前人类健康面临的严重威胁 论文题目: M echan istic Study of Chem selectivity之一,而传统抗菌药物的研发速度已无法完全满足 in N i-Cata lyzed Coup ling r eactions betw een Aω oles and临床上的需求。探索特异性阻断病原菌致病力逐渐 A rylCarboxy lates 成为抗菌感染研究的前沿方向。与传统抗生素作用 项目来源:国家自然科学基金等 机制不同,“抗致病力”策略通过减低病原菌感染 用户来源:中国科学技术大学、北京科技大学 宿主的致病力来控制细菌感染,预期缓解产生耐药 论文来源:《美国化学会志》第136卷第23期 性的速度,避免因杀菌而可能导致的副作用 页号:8252-8260,2014年6月11日出版 转肽酶SrA的生物学功能对革兰氏阳性菌感染 本项研究探讨了镍催化唑与芳基羧酸酯偶联反至关重要,已被证实是有前景的候选抗菌靶标。然 应的化学选择性。 而,利用小分子探针的化学生物学途径验证SrtA靶 过渡金属催化芳酰基衍生物与(杂)芳烃的偶标成药性的研究进展缓慢。本项研究基于SrtA的晶体 联反应是合成联芳化合物的有效手段。最近的实验结构,在上海超级计算中心和中科院网络中心的支 硏究通过由碳-氧亲电试剂调控化学选择性的镍催化持下,利用超级计算机,运用多种药物设计技术虚 唑与酯偶联反应发现,使用芳酯底物,则选择性生拟筛选30万个化合物的小分子库,获得了抑制SrtA酶 成脱羰/碳-氢偶联产物,而使用酚类衍生底物则高选活的苗头化合物。基于苗头化合物的骨架结构,开 择性生成碳-氢-氧偶联产物。 展结构优化改善了小分子的活性以及理化性质,该 本研究采用密度泛函理论计算方法对上述化学小分子在体外的靶向性以及在体内对Srt转肽SpA的 选择性偶联反应的机理进行了研究。通过详细的理抑制活性都得到了证实。感染致死小鼠实验结果表 论推导,发现了一个新型的脱羰碳-氢偶联反应机明,该小分子可以较好地延长感染小鼠的生存期, 理,具体包括碳酰基}氧键氧化加成、碱辅助碳-氢具有一定的治愈效果。生物实验结果表明,该类小 键活化、一氧化碳迁移以及还原消除步骤。此外, 分子体外不杀菌、不抑制细菌生长,实现了调控细 碳-氢/碳-氧偶联的杋理由碳茠基}氧键氧化加,碱菌致病力的新型抗菌药物发现研究。该小分子具有 促进碳-氢键活化和还原消除步骤组成。不同芳基酯抑制革兰氏阳性菌SrtA的广谱活性,有进一步开发成 对脱羰/碳-氢偶联反应机理的影响是决定化学选择性为治疗广谱阳性菌感染的新类型抗菌药物的价值和 的原因 潜力 相关工作发表在.Am.Chem.SoC.136,8252-8260 在该研究中,药物设计技术快速获得骨架化合 物的优势得到了充分发挥,该研究为进一步靶向其

综合评论 5 或空穴掺杂下，它转变为铁磁半金属，在费米能级 附近具有完全的自旋极化。更为重要的是，电子和 空穴掺杂下的载流子自旋极化方向是完全相反的。 因此，借助这一体系有望实现电场对载流子自旋取 向的直接控制。此外，理论预测该材料的实验工作 温度显著高于液氮温度。这一工作为在实验上实现 电场调控自旋取向提供了一个切实可行的方案，有 望对自旋电子器件的研究与应用产生重要的影响。 相关工作发表在J. Am. Chem. Soc. 136, 11065- 11069 (2014)。 图6 掺杂MnPSe3纳米片的半金属性 论文题目：Mechanistic Study of Chemoselectivity in Ni-Catalyzed Coupling Reactions between Azoles and Aryl Carboxylates 项目来源：国家自然科学基金等 用户来源：中国科学技术大学、北京科技大学 论文来源：《美国化学会志》第136卷第23期， 页号：8252-8260，2014年6月11日出版 本项研究探讨了镍催化唑与芳基羧酸酯偶联反 应的化学选择性。 过渡金属催化芳酰基衍生物与（杂）芳烃的偶 联反应是合成联芳化合物的有效手段。最近的实验 研究通过由碳-氧亲电试剂调控化学选择性的镍催化 唑与酯偶联反应发现，使用芳酯底物，则选择性生 成脱羰/碳-氢偶联产物，而使用酚类衍生底物则高选 择性生成碳-氢/碳-氧偶联产物。 本研究采用密度泛函理论计算方法对上述化学 选择性偶联反应的机理进行了研究。通过详细的理 论推导，发现了一个新型的脱羰/碳-氢偶联反应机 理，具体包括碳(酰基)-氧键氧化加成、碱辅助碳-氢 键活化、一氧化碳迁移以及还原消除步骤。此外， 碳-氢/碳-氧偶联的机理由碳(苯基)-氧键氧化加，碱 促进碳-氢键活化和还原消除步骤组成。不同芳基酯 对脱羰/碳-氢偶联反应机理的影响是决定化学选择性 的原因。 相关工作发表在J. Am. Chem. Soc. 136, 8252-8260 (2014)。 图7 镍催化唑与芳基羧酸酯偶联反应 论文题目：Antiinfective therapy with a small molecule inhibitor of Staphylococcus aureus sortase 项目来源：新药创制重大专项、国家自然科学 基金、863等 用户来源：中国科学院上海药物所、美国The University of Chicago、复旦大学等 论文来源：《美国科学院院刊》第111卷第 37期，页号：13517-13522，2014年9月16日出版 本项工作运用超级计算机，开展虚拟筛选研 究，实现“育”菌不杀的抗细菌致病力调节。 细菌耐药已成为当前人类健康面临的严重威胁 之一，而传统抗菌药物的研发速度已无法完全满足 临床上的需求。探索特异性阻断病原菌致病力逐渐 成为抗菌感染研究的前沿方向。与传统抗生素作用 机制不同，“抗致病力”策略通过减低病原菌感染 宿主的致病力来控制细菌感染，预期缓解产生耐药 性的速度，避免因杀菌而可能导致的副作用。 转肽酶SrtA的生物学功能对革兰氏阳性菌感染 至关重要，已被证实是有前景的候选抗菌靶标。然 而，利用小分子探针的化学生物学途径验证SrtA靶 标成药性的研究进展缓慢。本项研究基于SrtA的晶体 结构，在上海超级计算中心和中科院网络中心的支 持下，利用超级计算机，运用多种药物设计技术虚 拟筛选30万个化合物的小分子库，获得了抑制SrtA酶 活的苗头化合物。基于苗头化合物的骨架结构，开 展结构优化改善了小分子的活性以及理化性质，该 小分子在体外的靶向性以及在体内对SrtA转肽SpA的 抑制活性都得到了证实。感染致死小鼠实验结果表 明，该小分子可以较好地延长感染小鼠的生存期， 具有一定的治愈效果。生物实验结果表明，该类小 分子体外不杀菌、不抑制细菌生长，实现了调控细 菌致病力的新型抗菌药物发现研究。该小分子具有 抑制革兰氏阳性菌SrtA的广谱活性，有进一步开发成 为治疗广谱阳性菌感染的新类型抗菌药物的价值和 潜力。 在该研究中，药物设计技术快速获得骨架化合 物的优势得到了充分发挥，该研究为进一步靶向其

《高性能计算发展与应用》2015年第一期总第五十 它致病力调控靶标,开发高效特异的小分子活性候仅依赖于表面氧空位的多少,也同时决定于亚表面 选化合物验证了概念,提供了技术平台, 乃至体相氧缺陷的数量。这种新奇的基底与吸附质 相关工作发表在PNAS111,13517-13522②014) 之间的相互作用一方面为理解锐钛矿(101)表面的 高催化活性提供了新解释,另一方面也为理解其他 金属氧化物表面的高反应活性提供了全新的视角。 相关工作发表在Phys.Rev.Let112,206101 繳繳繳 图8Sr酶活性抑制 0.0eV 论文题目: In terp lay betw een W ater and Ti Anatase 001)Surface w ith Subsurface 0 xygen V acancy 项目来源:国家自然科学基金、中科院百人计 划、上海市科委浦江人才计划等 f .0. 84eV 用户来源:中国科学院上海应用物理研究 lev 中国科学院大学 论文来源:《物理评论快报》第112卷第20期 图9水在锐钛矿表面的吸附引发亚表面氧空位迁移到 论文号:206101,2014年5月20日出版 本项研究利用密度泛函理论计算,发现了水与 氧化钛锐钛矿(101)亚表面氧空位相互的新机 论文题目: Transport discovery of em erging robust helical surface states in Z, =0 system s 二氧化钛作为一种重要的半导体材料,在有 项目来源:973、国家自然科学基金、中国博士 机物降解、水解制氢以及太阳能电池等方面有着广后科学基金 泛应用。由于大部分反应发生在水环境中,因此 用户来源:苏州大学、北京大学 氧化钛与水分子之间的相互作用一直是研究热点 论文来源:《物理评论快报》第112卷第17期, 二氧化钛表面的高反应活性一直以来被认为由其表论文号:176601,2014年5月2日出版 面氧空位决定。近年来,科学家们在锐钛矿研究中 本项研究在拓扑绝缘体表面态研究方面取得了 发现亚表面以及体相氧空位比表面的氧空位更加稳重要进展 定。当温度高于200K时,表面的氧空位就会迁移到 时间反演对称性保护的拓扑绝缘体是近年来研 体相中去。这些发现为理解锐钛矿表面的高反应活究的热点,其拓扑性质可以用Z2拓扑数来表征。科学 性带来了困惑。 家普遍认为在Z2=1的拓扑绝缘体中存在稳定的、不受 本项研究通过计算模拟发现,水在锐钛矿表面材料具体细节和外部微扰所影响的螺旋表面态(或 的吸附可以造成表面氧空位与亚表面氧空位的相对边缘态)。这类稳定的螺旋表面态能导致一系列新 稳定性发生反转,从而引发亚表面氧空位越过一个奇的物理特性,使得拓扑绝缘体领域的相关研究在 较低的能垒迁移到表面,形成表面氧空位。该表面基础物理原理探究和低能耗信息器件应用方面都具 氧空位进而可以诱导水分子分解,在锐钛矿表面上 有重要地位。然而,自然界中的多数保持时间反演 形成两个羟基。在另一条竞争路径中,水分子在亚对称的材料体系往往具有Z2=0拓扑序,而具有Z2=1拓 表面氧空位上分解,也可诱导亚表面氧空位向表面扑序的体系是非常稀缺的。一个自然的问题是:为 的迁移。该机制说明锐钛矿表面的高反应活性不仅 了获得拓扑的螺旋表面态(或边缘态),Z2=1的拓

6 《高性能计算发展与应用》 2015年第一期 总第五十期 它致病力调控靶标，开发高效特异的小分子活性候 选化合物验证了概念，提供了技术平台。 相关工作发表在PNAS 111, 13517-13522 (2014)。 图8 SrtA酶活性抑制 论文题目：Interplay between Water and TiO2 Anatase (101) Surface with Subsurface Oxygen Vacancy 项目来源：国家自然科学基金、中科院百人计 划、上海市科委浦江人才计划等 用户来源：中国科学院上海应用物理研究所、 中国科学院大学、 论文来源：《物理评论快报》第112卷第20期， 论文号：206101，2014年5月20日出版 本项研究利用密度泛函理论计算，发现了水与 二氧化钛锐钛矿（101）亚表面氧空位相互的新机 制。 二氧化钛作为一种重要的半导体材料，在有 机物降解、水解制氢以及太阳能电池等方面有着广 泛应用。由于大部分反应发生在水环境中，因此二 氧化钛与水分子之间的相互作用一直是研究热点。 二氧化钛表面的高反应活性一直以来被认为由其表 面氧空位决定。近年来，科学家们在锐钛矿研究中 发现亚表面以及体相氧空位比表面的氧空位更加稳 定。当温度高于200K时，表面的氧空位就会迁移到 体相中去。这些发现为理解锐钛矿表面的高反应活 性带来了困惑。 本项研究通过计算模拟发现，水在锐钛矿表面 的吸附可以造成表面氧空位与亚表面氧空位的相对 稳定性发生反转，从而引发亚表面氧空位越过一个 较低的能垒迁移到表面，形成表面氧空位。该表面 氧空位进而可以诱导水分子分解，在锐钛矿表面上 形成两个羟基。在另一条竞争路径中，水分子在亚 表面氧空位上分解，也可诱导亚表面氧空位向表面 的迁移。该机制说明锐钛矿表面的高反应活性不仅 仅依赖于表面氧空位的多少，也同时决定于亚表面 乃至体相氧缺陷的数量。这种新奇的基底与吸附质 之间的相互作用一方面为理解锐钛矿（101）表面的 高催化活性提供了新解释，另一方面也为理解其他 金属氧化物表面的高反应活性提供了全新的视角。 相关工作发表在Phys. Rev. Lett. 112, 206101 (2014)。 图9 水在锐钛矿表面的吸附引发亚表面氧空位迁移到 表面 论文题目：Transport discovery of emerging robust helical surface states in Z2=0 systems 项目来源：973、国家自然科学基金、中国博士 后科学基金 用户来源：苏州大学、北京大学 论文来源：《物理评论快报》第112卷第17期， 论文号：176601，2014年5月2日出版 本项研究在拓扑绝缘体表面态研究方面取得了 重要进展。 时间反演对称性保护的拓扑绝缘体是近年来研 究的热点，其拓扑性质可以用Z2拓扑数来表征。科学 家普遍认为在Z2=1的拓扑绝缘体中存在稳定的、不受 材料具体细节和外部微扰所影响的螺旋表面态（或 边缘态）。这类稳定的螺旋表面态能导致一系列新 奇的物理特性，使得拓扑绝缘体领域的相关研究在 基础物理原理探究和低能耗信息器件应用方面都具 有重要地位。然而，自然界中的多数保持时间反演 对称的材料体系往往具有Z2=0拓扑序，而具有Z2=1拓 扑序的体系是非常稀缺的。一个自然的问题是：为 了获得拓扑的螺旋表面态（或边缘态），Z2=1 的拓

合评论 扑绝缘体体系是否是必须的? 本项研究系统性地研究了这个问题。首先,从 理论上找到了一类具有Z2=0拓扑序的二维和三维模型 体系,在有限尺寸效应下,该体系拥有拓扑的螺旋 表面态(或边缘态)。通过数值模拟,发现该Z2=0体 系表现出与Z2=1拓扑绝缘体体系几乎完全相同的输运 特征。此外,研究还发现这类Z2=0体系拥有某些超 越Z2=1拓扑绝缘体的优异性能。例如:存在拓扑的 螺旋表面态的能量窗口可以在大范围内连续调控: KX CXIX 基于这一拓扑的螺旋表面态可以实现全电调控的量 子‘谷’阀门和‘谷’过滤器。最后,研究还讨论 了在实际材料体系中观测到理论所预言的拓扑表面 态的可能性。最新的相关实验结果已经显示出这种 全新的拓扑表面态存在的迹象 XXX TII 相关工作发表在 Phys. Rev.Let112,176601 图10基于尺寸效应诱导的拓扑表面态设计量 子‘谷’阀门和‘谷’过滤器 要闻集锦 ht堆出五款 H asweFen架构处理器 据wwW,doser.com网站2015年1月22日消息报道, 构,跟目前的 H asw elk aswell有很多相同的地方, 近日,针对服务器市场,Inte出了五款 asw eFeN架但也缩水了不少。首先,其PCFE3.0通道数为24个 构的处理器,该架构很多地方与目前 H asw ellH asw elk介于Hae的16个、HaeE的40个之间。其次,它 E相同,其中E5-1428Lv3为8核16线程,面向单路服务 支持的还是DDR3内存,而且是三通道模式,前两者分 器市场,其余四款面向双路服务器市场 别支持双通道及四通道内存, H selfE还支持DDR4内 te凜桌面级主流CPU使用的是LGA115x插槽,服务 存 器级CPU已经从LGA1366升级到了LGA2011插槽。现在 上述5款处理器中,E5-1428Lv3是8核16线程,不 服务器市场上又多了5款 H asw eFEn架构的处理器,它 过它是面向单路服务器市场的,其余四款则是面向双路 们使用的是LGA1356插槽,支持三通道DDR3内存 服务器市场的 据报道,这次推出的5款处理器基于 H asseEN架 (李苏)

综合评论 7 扑绝缘体体系是否是必须的？ 本项研究系统性地研究了这个问题。首先，从 理论上找到了一类具有Z2=0拓扑序的二维和三维模型 体系，在有限尺寸效应下，该体系拥有拓扑的螺旋 表面态（或边缘态）。通过数值模拟，发现该Z2=0体 系表现出与Z2=1拓扑绝缘体体系几乎完全相同的输运 特征。此外，研究还发现这类Z2=0体系拥有某些超 越Z2=1拓扑绝缘体的优异性能。例如：存在拓扑的 螺旋表面态的能量窗口可以在大范围内连续调控； 基于这一拓扑的螺旋表面态可以实现全电调控的量 子‘谷’阀门和‘谷’过滤器。最后，研究还讨论 了在实际材料体系中观测到理论所预言的拓扑表面 态的可能性。最新的相关实验结果已经显示出这种 全新的拓扑表面态存在的迹象。 相关工作发表在Phys. Rev. Lett. 112, 176601 (2014)。 图10 基于尺寸效应诱导的拓扑表面态设计量 子‘谷’阀门和‘谷’过滤器 要 闻 集 锦 据www.doserv.com网站2015年1月22日消息报道， 近日，针对服务器市场，Intel推出了五款Haswell-EN架 构的处理器，该架构很多地方与目前Haswell及Haswell￾E相同，其中E5-1428L v3为8核16线程，面向单路服务 器市场，其余四款面向双路服务器市场。 Intel桌面级主流CPU使用的是LGA115x插槽，服务 器级CPU已经从LGA1366升级到了LGA2011插槽。现在 服务器市场上又多了5款Haswell-EN架构的处理器，它 们使用的是LGA1356插槽，支持三通道DDR3内存。 据报道，这次推出的5款处理器基于Haswell-EN架 构，跟目前的Haswell及Haswell-E有很多相同的地方， 但也缩水了不少。首先，其PCI-E 3.0通道数为24个， 介于Haswell的16个、Haswell-E的40个之间。其次，它 支持的还是DDR3内存，而且是三通道模式，前两者分 别支持双通道及四通道内存，Haswell-E还支持DDR4内 存。 上述5款处理器中，E5-1428L v3是8核16线程，不 过它是面向单路服务器市场的，其余四款则是面向双路 服务器市场的。 Intel推出五款Haswell-EN架构处理器 （李 苏）