2 《高性能计算发展与应用》2014年第一期总第四十六期 2013年上海超级计算中心基础科学用户研究进展 王涛蹁]上海超级计算中心上海201203 tw ang g sso. netcn 编者按 上海超级计算中心魔方超级计算机全机系统2013年平均使用率为69.23%。全年为72个新用 户开设了正式帐号,为137个新用户提供了试用服务。截至2013年12月31日,共有使用活跃的 正式用户帐号259个,用户来自全国28个省、直辖市和自治区。用户单位包括一大批国家重点 大学、中科院研究院所、重大装备制造企业、工程开发设计硏究院等。在整个2013年度,用户 共发表了超过204篇被科学引文索引(SCD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。这些论文的研究成果均为上海超级计算中心计算平台支持产生。本文在上 述的200多篇论文里,精选了在国际顶级刊物《科学》( Science)、《自然》(Na如re)及其 子刊系列、《美国化学会志》( URNAL0 F THE AM ER ICAN CHEM ICAL SO C正TY)、 《物理评论快报》( PHYSICAL REV正 N LETTER S)、《美国科学院报》(PR0 CEED INGS OF THENATIONAL ACADEM Y OF SC EN CESOF THE UN ITED STATES AM ERICA) 上发表的14篇重要成果进行介绍,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 eahSpace Identification of In term olecu ar分子聚集体中均被观察到。基于氢键的传统定义, Bond ing with a tom ic Force M icroscopy 在它附近不应存在电子波函数,因此,实验中直接 项目来源:国家自然科学基金、科技部基金 对氢键成像似乎显得有些“不可思议”,这有悖于 北京自然科学基金等 此前人们对原子力显微镜成像原理和氢键本质的认 用户来源:中科院国家纳米科学中心、中国人识。在经过大量的理论模拟后,最终确定了实验中 民大学物理系 分子(聚集体)的原子结构模型,确认了实验成像 论文来源:《科学》第342卷第6158期,页号 源于氢键和配位键的结论,并提出了实验观察到氢 61-614,2013年11月1日出版 键和配位键的成像机制 本项研究在“氢键的本质”研究上取得了重 相关工作发表在 Science342,611-614②013)。此 大突破。研究采用了非接触原子力显微镜技术和第外,2013年9月26日,美国《科学》(《 Science》) 性原理密度泛函理论计算在国际上首次实现了分杂志也以“ Science Express”的形式在线发表了该论 子间局域相互作用的直接成像。研究成果为研究分 子间相互作用开创了新思路,并为理解“氢键的本 质”这一悬而未决的重大问题提供了重要证据 非接触原子力显微镜是最先进的原子力显微镜 表征技术。该技术可以通过显微镜探针顶部原子电 子波函数与样品电子波函数之间的Paul排斥相互作 用得到高分辨的分子内部结构信息。例如,2009年 图1分子间三聚体的原子力显微镜像和理论计算结果 IBM Zurich研究中心的科学家采用该技术首次观察 到了分子内部的共价键。共价键波函数与探针顶端 论文题目: Destructive extraction of phospholipids 原子波函数有较为显著的Paul排斥相互作用,因此 fiom E scherichia colim em branes by graphene nanosheets 之前的结果从原理上是相对容易理解的。然而,在 项目来源 家自然科学基金等 本项研究成果中,氢键、配位键、共价键在同一个 用户来源: 大学、上海应用物理研究所
2 《高性能计算发展与应用》 2014年第一期 总第四十六期 2013年上海超级计算中心基础科学用户研究进展 王 涛[编] 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2013年平均使用率为69.23%。全年为72个新用 户开设了正式帐号，为137个新用户提供了试用服务。截至2013年12月31日，共有使用活跃的 正式用户帐号259个，用户来自全国28个省、直辖市和自治区。用户单位包括一大批国家重点 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。在整个2013年度，用户 共发表了超过204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。这些论文的研究成果均为上海超级计算中心计算平台支持产生。本文在上 述的200多篇论文里，精选了在国际顶级刊物《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） 上发表的14篇重要成果进行介绍，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：Real-Space Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy 项目来源：国家自然科学基金、科技部基金、 北京自然科学基金等 用户来源：中科院国家纳米科学中心、中国人 民大学物理系 论文来源：《科学》第342卷第6158期，页号： 611-614，2013年11月1日出版 本项研究在“氢键的本质”研究上取得了重 大突破。研究采用了非接触原子力显微镜技术和第 一性原理密度泛函理论计算在国际上首次实现了分 子间局域相互作用的直接成像。研究成果为研究分 子间相互作用开创了新思路，并为理解“氢键的本 质”这一悬而未决的重大问题提供了重要证据。 非接触原子力显微镜是最先进的原子力显微镜 表征技术。该技术可以通过显微镜探针顶部原子电 子波函数与样品电子波函数之间的Pauli排斥相互作 用得到高分辨的分子内部结构信息。例如，2009年 IBM Zurich研究中心的科学家采用该技术首次观察 到了分子内部的共价键。共价键波函数与探针顶端 原子波函数有较为显著的Pauli排斥相互作用，因此 之前的结果从原理上是相对容易理解的。然而，在 本项研究成果中，氢键、配位键、共价键在同一个 分子聚集体中均被观察到。基于氢键的传统定义， 在它附近不应存在电子波函数，因此，实验中直接 对氢键成像似乎显得有些“不可思议”，这有悖于 此前人们对原子力显微镜成像原理和氢键本质的认 识。在经过大量的理论模拟后，最终确定了实验中 分子（聚集体）的原子结构模型，确认了实验成像 源于氢键和配位键的结论，并提出了实验观察到氢 键和配位键的成像机制。 相关工作发表在Science 342, 611-614 (2013)。此 外，2013年9月26日，美国《科学》（《Science》） 杂志也以“Science Express”的形式在线发表了该论 文。 图1 分子间三聚体的原子力显微镜像和理论计算结果 论文题目：Destructive extraction of phospholipids from Escherichia coli membranes by graphene nanosheets 项目来源：973、国家自然科学基金等 用户来源：上海大学、上海应用物理研究所
3 浙江大学等 论文题目: The genom e of the hydatid tapew on 论文来源:《自然-纳米技术》第8卷第8期,页 Echinococcus granu bsus 号:594-601,2013年8月出版 项目来源:973、863、国家自然科学基金、上 本项研究在石墨烯抗菌机制研究方面取得重要海市科委基金等 进展 用户来源:国家人类基因组南方研究中心、新 石墨烯作为一种新型的二维超薄纳米材料 疆医科大学第一附属医院、复旦大学等 以其独特的结构、力学和电子性质,被认为在药物 论文来源:《自然-遗传学》第45卷第10期,页 投递、肿瘤治疗等生物纳米技术领域有着广泛的应号:1168-1175,2013年10月出版 用前景,因此石墨烯的生物相容性问题需要得到解 本项研究成功绘制出了细粒棘球绦虫的基因 决。目前虽然已经有大量的生物学实验工作得到了组序列草图,提供了关于细粒棘球绦虫生物学、发 开展,但是石墨烯与生物分子相关的作用机制仍然育、分化、进化和宿主相互作用等方面的一些新认 不清楚 识,并鉴别出了一些药物和疫苗靶点,有可能推动 本项研究通过分子动力学模拟开展了石墨烯开发出包虫治疗和控制的新干预工具。 与生物膜相互作用的研究,最终阐明了这种石墨烯 细粒棘球绦虫属带科、棘球属,是一种重要的 抗菌的分子机制。计算模拟发现了一种新的分子机动物源性寄生虫,全球至少有5千万人感染这种寄生 制:细胞膜上的磷脂分子可以被石墨烯抽取导致细虫。它的生命周期涉及两种哺乳动物,其中间宿主 胞膜的破坏。石墨烯不但可以通过对细菌细胞膜的通常是家养或野生的有蹄类动物(人类是它的偶然 插入进行切割,还可以通过对细胞膜上磷脂分子的中间宿主),而狗则是其终末宿主。幼虫期可引起 大规模直接抽取,来破坏细胞膜从而杀死细菌。石 种严重的人兽共患病称为棘球蚴病或包虫病。当 墨烯独特的二维结构使其可以与细菌细胞膜上的磷前,有多达300万人感染细粒棘球绦虫,在一些地域 脂分子发生超强的相互作用,从而导致大量磷脂分10%的人口通过腹部超声和胸部X摄影检测出包虫囊 子脱离细胞膜并吸附到石墨烯的表面。相关的电镜肿。细粒棘球绦虫自身没有肠、循环或呼吸器官。 实验也直接观察到了细菌细胞膜与氧化石墨烯作用 其雌雄同体,生成的二倍体虫卵可发育为六钩蚴。 后产生的大范围空腔结构,为理论计算结果提供了包虫囊肿中的幼虫(原头节)的一个独特特征是能 实验证据。该研究为揭示纳米材料的可能细胞毒性够在狗胃肠道中双向发育为成虫,或是在中间宿主 提供了一种分子机制,为发展具有生物兼容性的基 (人类)体内形成二次包虫囊肿,这一过程由胆汁 于石墨烯的纳米材料、纳米器件提供基础 酸所触发。细粒棘球绦虫的另一个显著特征则是能 相关工作发表在 Nature Nanotechnology8,594 够感染和适应大量的哺乳动物物种,使之成为它们 601(2013)。该工作发表后立即得到了众多国际科的中间宿主,这促成了它们广泛的全球分布。 学媒体的关注,“ Chem istry W orld”、“ Before's 本项研究对细粒棘球绦虫基因组进行了测序和 Nws”、“ Graphene W ki&News”等网站均进行了分析,获得了这一寄生虫的基因组序列草图,其包 报导与评论。其中,英国皇家化学协会的《化学世含151.6Mb的序列和11,325个基因。细粒棘球绦虫包 界》以“ Green grapheneband-aid”为标题对基于石墨含有9对染色体,它是第一批进行测序的绦虫基因组 烯的新型抗菌“邦迪”材料等作了讨论 之一,为早先英国 W elcom e Trust基因科学园发表在 Na如e杂志上的高质量多房棘球绦虫(E ocu laris)基因组提供了补充 通过与其他的绦虫物种基因组序列进行比较, 论文作者揭示出细粒棘球绦虫获得了包括EAA感家族 在内的一系列基因,细粒棘球绦虫通过分泌这些基 因的产物干扰并改变了宿主免疫反应。论文作者发 现胆汁盐信号通路中的基因有可能控制了细粒棘球 绦虫的双向发育,钙通道亚单位 e gCa, B1的序列差异 有可能与其对吡喹酮抗寄生虫并药物的敏感性有关 相关工作发表在 Nature genetics45,1168-1175 图2石墨烯脂质萃取的对接模拟
综合评论 3 浙江大学等 论文来源：《自然-纳米技术》第8卷第8期，页 号：594-601，2013年8月出版 本项研究在石墨烯抗菌机制研究方面取得重要 进展。 石墨烯作为一种新型的二维超薄纳米材料， 以其独特的结构、力学和电子性质，被认为在药物 投递、肿瘤治疗等生物纳米技术领域有着广泛的应 用前景，因此石墨烯的生物相容性问题需要得到解 决。目前虽然已经有大量的生物学实验工作得到了 开展，但是石墨烯与生物分子相关的作用机制仍然 不清楚。 本项研究通过分子动力学模拟开展了石墨烯 与生物膜相互作用的研究，最终阐明了这种石墨烯 抗菌的分子机制。计算模拟发现了一种新的分子机 制：细胞膜上的磷脂分子可以被石墨烯抽取导致细 胞膜的破坏。石墨烯不但可以通过对细菌细胞膜的 插入进行切割，还可以通过对细胞膜上磷脂分子的 大规模直接抽取，来破坏细胞膜从而杀死细菌。石 墨烯独特的二维结构使其可以与细菌细胞膜上的磷 脂分子发生超强的相互作用，从而导致大量磷脂分 子脱离细胞膜并吸附到石墨烯的表面。相关的电镜 实验也直接观察到了细菌细胞膜与氧化石墨烯作用 后产生的大范围空腔结构，为理论计算结果提供了 实验证据。该研究为揭示纳米材料的可能细胞毒性 提供了一种分子机制，为发展具有生物兼容性的基 于石墨烯的纳米材料、纳米器件提供基础。 相关工作发表在Nature Nanotechnology 8, 594- 601（2013）。该工作发表后立即得到了众多国际科 学媒体的关注，“Chemistry World”、“BeforeIt’s News”、“Graphene Wiki & News”等网站均进行了 报导与评论。其中，英国皇家化学协会的《化学世 界》以“Green grapheneband-aid”为标题对基于石墨 烯的新型抗菌“邦迪”材料等作了讨论。 图2 石墨烯脂质萃取的对接模拟 论文题目：The genome of the hydatid tapeworm Echinococcus granulosus 项目来源：973、863、国家自然科学基金、上 海市科委基金等 用户来源：国家人类基因组南方研究中心、新 疆医科大学第一附属医院、复旦大学等 论文来源：《自然-遗传学》第45卷第10期，页 号：1168-1175，2013年10月出版 本项研究成功绘制出了细粒棘球绦虫的基因 组序列草图，提供了关于细粒棘球绦虫生物学、发 育、分化、进化和宿主相互作用等方面的一些新认 识，并鉴别出了一些药物和疫苗靶点，有可能推动 开发出包虫治疗和控制的新干预工具。 细粒棘球绦虫属带科、棘球属，是一种重要的 动物源性寄生虫，全球至少有5千万人感染这种寄生 虫。它的生命周期涉及两种哺乳动物，其中间宿主 通常是家养或野生的有蹄类动物（人类是它的偶然 中间宿主），而狗则是其终末宿主。幼虫期可引起 一种严重的人兽共患病称为棘球蚴病或包虫病。当 前，有多达300万人感染细粒棘球绦虫，在一些地域 10%的人口通过腹部超声和胸部X摄影检测出包虫囊 肿。细粒棘球绦虫自身没有肠、循环或呼吸器官。 其雌雄同体，生成的二倍体虫卵可发育为六钩蚴。 包虫囊肿中的幼虫（原头节）的一个独特特征是能 够在狗胃肠道中双向发育为成虫，或是在中间宿主 （人类）体内形成二次包虫囊肿，这一过程由胆汁 酸所触发。细粒棘球绦虫的另一个显著特征则是能 够感染和适应大量的哺乳动物物种，使之成为它们 的中间宿主，这促成了它们广泛的全球分布。 本项研究对细粒棘球绦虫基因组进行了测序和 分析，获得了这一寄生虫的基因组序列草图，其包 含151.6 Mb的序列和11,325个基因。细粒棘球绦虫包 含有9对染色体，它是第一批进行测序的绦虫基因组 之一，为早先英国Wellcome Trust基因科学园发表在 Nature杂志上的高质量多房棘球绦虫（Echinococcus multilocularis）基因组提供了补充。 通过与其他的绦虫物种基因组序列进行比较， 论文作者揭示出细粒棘球绦虫获得了包括EgAgB家族 在内的一系列基因，细粒棘球绦虫通过分泌这些基 因的产物干扰并改变了宿主免疫反应。论文作者发 现胆汁盐信号通路中的基因有可能控制了细粒棘球 绦虫的双向发育，钙通道亚单位EgCavβ1的序列差异 有可能与其对吡喹酮抗寄生虫并药物的敏感性有关。 相关工作发表在Nature Genetics 45, 1168-1175 (2013)
《高性能计算发展与应用》2014年第一期总第四十六期 强金碳键表明最终金炔基的形成在热力学上是有利 ,这在炔烃活化中有着重要影响 美国化学会《化学与工程新闻》杂志对此项工 作进行了专题报道,指出该研究成果对于理解均相 金催化中间产物的生成机理具有重要意义。 相关工作发表在 Nature Com m un ication 图3细粒棘球绦虫和其它类群的钙通道亚单元的进化树 和多序列比对分析 论文题目: Prob ing the nature of gol- carbon bonding in gol-a com plexes 项目来源:973、国家自然科学基金等 用户来源:美国布朗大学、清华大学 论文来源:《自然-通讯》第4卷,论文号 2223,2013年7月26日出版 本项研究通过光电子能谱实验和相对论量子化 学研究,对金炔基化合物中金碳之间的化学成键进 了研究,发现了金碳键的键能与键级之间存在着 图4金炔基化合物的电子分布 罕见的逆相关关系。 在过去的几十年里,金化合物的均相催化已经 论文题目: Role of point defects on the reactivity of 了显著的发展,特别是对炔烃的活化。人们已经 reconstructed anatase titan im dioxide 001) surface 提出了许多反应的中间体。但一般来说,直接观察 国家自然科学基金等 和表征这些瞬态物质仍然是一个挑战。在Au中心和 用户来源:中国科学技术大学合肥微尺度物质 其底物之间的化学键的性质对均相金催化机制的认 科学国家实验室 识是至关重要的。良好定义的金化合物可以作为模 论文来源:《自然-通讯》第4卷,论文号 型系统来探测金和其底物的成键。然而,尽管人们 2214,2013年7月30日出版 已经知道强烈的相对论效应会导致金的许多独特的 本项研究在锐钛矿二氧化钛表面催化活性和微 性质,但是,目前仍然缺乏对有机金化合物中Au- 观反应机理上取得了重要进展。此项研究通过实验 C键的研究,而这一点对于理解催化中间体的可行性 和计算,澄清了锐钛矿二氧化钛表面缺陷结构及化 和机制是最相关的。作为一个探测分子的电子结构学活性位的长期争论,为进一步设计和提高二氧化 和化学键的强大实验技术,光电子能谱最近已经被钛的催化活性及研究光化学反应提供了极有价值的 用来研究了一系列的Au-CN化合物,但尚未应用于 任何有机金化合物。 氧化钛是太阳能转化研究中的重要材料体 本项研究首次报告了一系列金炔基化合物 系,其在光催化分解水制氢气和人工光合作用等方 LA uCC0HL=C,cCH)的光电子能谱实验研究,以面展现出迷人的前景,针对这一材料体系的研究成 及相应的从头计算结果,以探索Au-C成键的本质 为国际上新能源材料研究领域中的热点方向。寻找 振动分辨光电子能谱表明在 LAUCH下中的Au-C非常新的催化材料和高效的能量转换机理是其中重要的 强。理论计算表明 LauCH中的AuC是已知最强的科学问题。二氧化钛的锐钛矿相和金红石相是两种 金键之一,其解离能为50leV。此外,理论研究还表 得到广泛研究的晶相。其中,金红石由于结构稳 明 LAUCCH中的Au-C单键甚至比已知的 CAuCH2中 定、易于单晶生长,过去的研究主要针对二氧化钛 的AuC双键和CMuC中的AuC三键还要强,表现出罕 的金红石相。比较而言,锐钛矿相的二氧化钛稳定 见的金的键级与键强的逆相关关系。 LAUCCH中的 性低,直觉判断其化学活性应该比金红石相高,有 许多理论计算也支持这一观念。特别是理论预言锐
4 《高性能计算发展与应用》 2014年第一期 总第四十六期 图3 细粒棘球绦虫和其它类群的钙通道亚单元的进化树 和多序列比对分析 论文题目：Probing the nature of gold-carbon bonding in gold-alkynyl complexes 项目来源：973、国家自然科学基金等 用户来源：美国布朗大学、清华大学 论文来源：《自然-通讯》第4卷，论文号： 2223，2013年7月26日出版 本项研究通过光电子能谱实验和相对论量子化 学研究，对金炔基化合物中金碳之间的化学成键进 行了研究，发现了金碳键的键能与键级之间存在着 罕见的逆相关关系。 在过去的几十年里，金化合物的均相催化已经 有了显著的发展，特别是对炔烃的活化。人们已经 提出了许多反应的中间体。但一般来说，直接观察 和表征这些瞬态物质仍然是一个挑战。在Au中心和 其底物之间的化学键的性质对均相金催化机制的认 识是至关重要的。良好定义的金化合物可以作为模 型系统来探测金和其底物的成键。然而，尽管人们 已经知道强烈的相对论效应会导致金的许多独特的 性质，但是，目前仍然缺乏对有机金化合物中AuC键的研究，而这一点对于理解催化中间体的可行性 和机制是最相关的。作为一个探测分子的电子结构 和化学键的强大实验技术，光电子能谱最近已经被 用来研究了一系列的Au-CN化合物，但尚未应用于 任何有机金化合物。 本 项 研 究 首 次 报 告 了 一 系 列 金 炔 基 化 合 物 LAuCCH-(L=Cl, I, CCH)的光电子能谱实验研究，以 及相应的从头计算结果，以探索Au-C成键的本质。 振动分辨光电子能谱表明在LAuCCH-中的Au-C非常 强。理论计算表明LAuCCH-中的Au-C是已知最强的 金键之一，其解离能为5.01eV。此外，理论研究还表 明LAuCCH-中的Au-C单键甚至比已知的ClAuCH2中 的AuC双键和ClAuC中的AuC三键还要强，表现出罕 见的金的键级与键强的逆相关关系。LAuCCH-中的 强金碳键表明最终金炔基的形成在热力学上是有利 的，这在炔烃活化中有着重要影响。 美国化学会《化学与工程新闻》杂志对此项工 作进行了专题报道，指出该研究成果对于理解均相 金催化中间产物的生成机理具有重要意义。 相关工作发表在Nature Communication 4, 2223 (2013)。 图4 金炔基化合物的电子分布 论文题目：Role of point defects on the reactivity of reconstructed anatase titanium dioxide (001) surface 项目来源：973、国家自然科学基金等 用户来源：中国科学技术大学合肥微尺度物质 科学国家实验室 论文来源：《自然-通讯》第4卷，论文号： 2214，2013年7月30日出版 本项研究在锐钛矿二氧化钛表面催化活性和微 观反应机理上取得了重要进展。此项研究通过实验 和计算，澄清了锐钛矿二氧化钛表面缺陷结构及化 学活性位的长期争论，为进一步设计和提高二氧化 钛的催化活性及研究光化学反应提供了极有价值的 信息。 二氧化钛是太阳能转化研究中的重要材料体 系，其在光催化分解水制氢气和人工光合作用等方 面展现出迷人的前景，针对这一材料体系的研究成 为国际上新能源材料研究领域中的热点方向。寻找 新的催化材料和高效的能量转换机理是其中重要的 科学问题。二氧化钛的锐钛矿相和金红石相是两种 得到广泛研究的晶相。其中，金红石由于结构稳 定、易于单晶生长，过去的研究主要针对二氧化钛 的金红石相。比较而言，锐钛矿相的二氧化钛稳定 性低，直觉判断其化学活性应该比金红石相高，有 许多理论计算也支持这一观念。特别是理论预言锐
综合评论 5 钛矿二氧化钛001)表面是所有晶面中活性最高的 接带隙,在电子、光电器件方面有着广泛的应用前 近几年,有大量的材料学家投入到合成富含001)面景。作为后硅时代的一种新型纳米电子材料,二硫 的锐钛矿二氧化钛纳米晶,并研究其光催化性质 化钼近年来得到了学术界和工业界的广泛关注。然 但实验得到的光催化效率与理论预言存在很大的差而在二硫化钼走向应用的过程中,实际器件迁移率 远低于理论值的问题一直困扰着学术界。世界范围 针对这一问题,论文作者采用脉冲激光沉积技内的科研工作者在这一课题付出了诸多努力,但是 术,制备了高质量的锐钛矿二氧化钛001)再构单晶对二硫化钼输运性质仍然没有一个较为系统和清晰 薄膜,利用扫描隧道显微术(STM)微观表征和原的实验或者理论解释 子操纵的方法,清晰地揭示出了该表面的结构和化 在本项研究中,论文作者结合实验与理论计 学活性位点:结合理论计算和分析,提出了新的表算,阐明了二硫化钼中的电子输运机制。在这项工 面结构模型,澄清了这一表面缺陷结构及化学活性作中,研究者利用高分辨透射电子显微镜对二硫化 位的长期争论。该研究结果表明,锐钛矿二氧化钛钼表面原子结构进行了精细表征,结果显示有大量 001)再构表面表现为完全氧化的形式,纠正了过去的硫空位缺陷存在于材料中。硫空位对二硫化钼能 关于该表面部分氧化的结构模型:+3价态的缺陷位带结构有着显著的影响:基于密度泛函理论的第一 是该表面活性位点。这一发现为进一步设计和提高性原理计算表明本征硫空位缺陷在能隙中引入缺陷 氧化钛的催化活性及研究光化学反应提供了极有态,在低载流子浓度下,电子由Bbch波变为局域 价值的信息 在缺陷态附近的局域化电子,电子输运只能通过局 相关工作发表在 Nature com m unication4,2214 域态之间的跃迁实现,该输运机制限制了二硫化钼 的本征迁移率,这一结果得到了变温输运测试的证 实。随着载流子浓度的提高(通过场效应在二硫化 钼体系中引入高载流子浓度),电子传输将由跃迁 传输转变为扩展态传输。这一模型也解释了在二硫 化钼体系中金属态、甚至超导态的发现。 相关工作发表在 Nature Com m unication4,2642 Hopping 图5二氧化钛结构模型与模拟图像 图6二硫化钼两种电子输运电子分布示意图 论文题目: H opping transport through defect- nduced bca lized states in m olybdenum disu phide 论文题目: Negative expansions of interatom ic 项目来源:973、国家自然科学基金、国家科技 distances in m etallic m elts 重大专项、江苏省自然科学基金等 项目来源:973、国家自然科学基金、浙江省自 用户来源:南京大学、东南大学、上海大学等 然科学基金等 论文来源:《自然-通讯》第4卷,论文号: 用户来源:浙江大学、中科院高能物理研究 2642,2013年10月23日出版 所、上海高压先进科研中心等 本项研究在二硫化钼电学输运领域取得的重要 论文来源:《美国科学院院刊》第110卷第 进展。这项成果对二硫化钼输运领域中的关键问题25期,页号:10068-10072,2013年6月18日出版 进行了较为系统地解释,揭示了二硫化钼中的缺陷 本项研究发现了加热诱导的金属液体中的近 对电子输运和器件应用的影响,并且为进一步提高邻原子间距的收缩异常现象。固态无序合金的结构 硫化钼器件性能给出了理论指导 与合金液体的结构有着密切关系。液态金属结构的 二硫化钼是一种二维半导体材料,具有1.8eV直研究涉及材料科学和凝聚态物理中一些基本科学问
综合评论 5 钛矿二氧化钛(001)表面是所有晶面中活性最高的。 近几年，有大量的材料学家投入到合成富含(001)面 的锐钛矿二氧化钛纳米晶，并研究其光催化性质， 但实验得到的光催化效率与理论预言存在很大的差 异。 针对这一问题，论文作者采用脉冲激光沉积技 术，制备了高质量的锐钛矿二氧化钛(001)再构单晶 薄膜，利用扫描隧道显微术（STM）微观表征和原 子操纵的方法，清晰地揭示出了该表面的结构和化 学活性位点；结合理论计算和分析，提出了新的表 面结构模型，澄清了这一表面缺陷结构及化学活性 位的长期争论。该研究结果表明，锐钛矿二氧化钛 (001)再构表面表现为完全氧化的形式，纠正了过去 关于该表面部分氧化的结构模型；+3价态的缺陷位 是该表面活性位点。这一发现为进一步设计和提高 二氧化钛的催化活性及研究光化学反应提供了极有 价值的信息。 相关工作发表在Nature Communication 4, 2214 (2013)。 图5 二氧化钛结构模型与模拟图像 论文题目：Hopping transport through defectinduced localized states in molybdenum disulphide 项目来源：973、国家自然科学基金、国家科技 重大专项、江苏省自然科学基金等 用户来源：南京大学、东南大学、上海大学等 论文来源：《自然-通讯》第4卷，论文号： 2642，2013年10月23日出版 本项研究在二硫化钼电学输运领域取得的重要 进展。这项成果对二硫化钼输运领域中的关键问题 进行了较为系统地解释，揭示了二硫化钼中的缺陷 对电子输运和器件应用的影响，并且为进一步提高 二硫化钼器件性能给出了理论指导。 二硫化钼是一种二维半导体材料，具有1.8eV直 接带隙，在电子、光电器件方面有着广泛的应用前 景。作为后硅时代的一种新型纳米电子材料，二硫 化钼近年来得到了学术界和工业界的广泛关注。然 而在二硫化钼走向应用的过程中，实际器件迁移率 远低于理论值的问题一直困扰着学术界。世界范围 内的科研工作者在这一课题付出了诸多努力，但是 对二硫化钼输运性质仍然没有一个较为系统和清晰 的实验或者理论解释。 在本项研究中，论文作者结合实验与理论计 算，阐明了二硫化钼中的电子输运机制。在这项工 作中，研究者利用高分辨透射电子显微镜对二硫化 钼表面原子结构进行了精细表征，结果显示有大量 的硫空位缺陷存在于材料中。硫空位对二硫化钼能 带结构有着显著的影响：基于密度泛函理论的第一 性原理计算表明本征硫空位缺陷在能隙中引入缺陷 态，在低载流子浓度下，电子由Bloch波变为局域 在缺陷态附近的局域化电子，电子输运只能通过局 域态之间的跃迁实现，该输运机制限制了二硫化钼 的本征迁移率，这一结果得到了变温输运测试的证 实。随着载流子浓度的提高（通过场效应在二硫化 钼体系中引入高载流子浓度），电子传输将由跃迁 传输转变为扩展态传输。这一模型也解释了在二硫 化钼体系中金属态、甚至超导态的发现。 相关工作发表在Nature Communication 4, 2642 (2013)。 图6 二硫化钼两种电子输运电子分布示意图 论文题目：Negative expansions of interatomic distances in metallic melts 项目来源：973、国家自然科学基金、浙江省自 然科学基金等 用户来源：浙江大学、中科院高能物理研究 所、上海高压先进科研中心等 论文来源：《美国科学院院刊》第110卷第 25期，页号：10068-10072，2013年6月18日出版 本项研究发现了加热诱导的金属液体中的近 邻原子间距的收缩异常现象。固态无序合金的结构 与合金液体的结构有着密切关系。液态金属结构的 研究涉及材料科学和凝聚态物理中一些基本科学问
《高性能计算发展与应用》2014年第一期总第四十六期 题,例如,怎样理解物质熔化的过程、凝固以及玻前沿热点课题。通过超短强激光等离子体作用,有 璃转变等基本科学问题。固态材料中通常认为原子望在台面尺度上实现与大型传统加速器可比拟的加 间距随着温度的升高而增大。论文作者从实验和理速效果,且产生的粒子源和辐射源更短、更亮。早 论两个方面对8种纯Al、Sn、h、Cu、Ag、Au、N和在1979年,Taa和 Daw son首次提出了采用激光脉冲 Zn液体金属开展深入研究,使用原位同步辐射技术产生的相速度接近光速的大振幅电子等离子体波( 研究了A、Sn、血和Zn的液态原子结构随温度变化。 激光等离子体尾场)来加速电子。这种电子等离子 采用经典的分子动力学对Al、Cu、Ag、Au、Ni第体波可以承载的加速梯度可达100GeV/,即比传统 性原理的分子动力学对Zn的熔化行为进行了理论加速器的加速梯度高出3-4个数量级。在2002年, 模拟,实验和理论的结果均表明在液体金属中 人们首先在数值模拟研究中发现了大振幅电子等离 子形成团簇结构,中心原子到第一壳层原子的平均子体的空泡( Bubble)结构,它可以比较稳定地捕 原子距离随温度的升高而减小,在固态材料中,通获并加速等离子体中一部分电子,获得准单能的电 常不存在这种新现象,但它却在液体金属中普遍存子束能谱结构。在2004年,国际上有三个实验室同 时在Nate杂志报道在实验上获得准单能的电子束产 此项研究成果为解决无序物质结构的基本科学 该期 Nature封面将其称为“ Dream beam”。这为 问题又近了一步。相关工作发表在PNAS110,10068 新型加速器的发展注入新的活力。目前利用激光等 10072②013) 离子体电子空泡加速,人们已能在数厘米的加速距 离中实现了GeV、准单能电子束的输出。但受限于空 泡固有尺寸以及电子注入方式,过去近10年里,人 们在实验上得到的电子束一直徘徊在飞秒脉宽 10%的相对能散,以及10pC左右的电量。进而面向各 种可能的应用,其亮度、稳定性都有待大幅提高。 针对这些问题,基于大规模数值模拟和理论分 析,论文作者提出了一种新的机制直接控制电子注 入的时空位置,从而产生大电量(nC量级)的阿秒 三 电子层。数值模拟表明,这种完全受控的注入方式 能够大大改善电子束品质,同时首次在尾波里实现 了阿秒脉宽电子束的捕获。该方案要求的百太瓦级 激光功率和气体靶参数降低了对实验的要求,为实 现高重复率、高质量电子源提供了可能。该方案需 图7纯A的分子动力学模拟,图a为A的双体相关函数要相对较大的入射光斑,使得形成的电子束成片状 随温度的变化情况,图b为 Vorono玢形分析,图c为不 同配位数多面体中原子的平均距离,图d示意说明温度 结构,后者为通过汤姆逊散射产生相干超亮X射线源 升高,液体金属中高配位多面体逐渐向低配位多面体转 提供很好的载体 变,随着低配位多面体含量的增多,最近邻原子的距离 相关工作发表在Phys.Rev.Lett110,135002 逐渐缩短 2013)。 论文题目: Dense a ttosecond e lectron sheets fiom Laser akefie ls U sing an U p-R am p d ensity Transition 项目来源:973、国家自然科学基金 10 用户来源:上海交通大学、中科院物理研究 所、清华大学等 论文来源:《物理评论快报》第110卷第13期, 论文号:135002,2013年3月26日出版 本项工作在强激光驱动高能量密度物理研究中 取得了新进展。 近年来基于百太瓦级(1太瓦=1012瓦)强激 光与等离子体作用产生新型粒子源(电子、离子加 速)和辐射源是强激光驱动高能量密度物理研究的 AES生成原理与一维PE数值模拟
6 《高性能计算发展与应用》 2014年第一期 总第四十六期 题，例如，怎样理解物质熔化的过程、凝固以及玻 璃转变等基本科学问题。固态材料中通常认为原子 间距随着温度的升高而增大。论文作者从实验和理 论两个方面对8种纯Al、Sn、In、Cu、Ag、Au、Ni和 Zn液体金属开展深入研究，使用原位同步辐射技术 研究了Al、Sn、In和Zn的液态原子结构随温度变化。 采用经典的分子动力学对Al、Cu、Ag、Au、Ni和第 一性原理的分子动力学对Zn的熔化行为进行了理论 模拟，实验和理论的结果均表明在液体金属中，原 子形成团簇结构，中心原子到第一壳层原子的平均 原子距离随温度的升高而减小，在固态材料中，通 常不存在这种新现象，但它却在液体金属中普遍存 在。 此项研究成果为解决无序物质结构的基本科学 问题又近了一步。相关工作发表在PNAS 110, 10068- 10072 (2013)。 图7 纯Al的分子动力学模拟，图a为Al的双体相关函数 随温度的变化情况，图b为Voronoi分形分析，图c为不 同配位数多面体中原子的平均距离，图d示意说明温度 升高，液体金属中高配位多面体逐渐向低配位多面体转 变，随着低配位多面体含量的增多，最近邻原子的距离 逐渐缩短 论文题目：Dense Attosecond Electron Sheets from LaserWakefields Using an Up-Ramp Density Transition 项目来源：973、国家自然科学基金 用户来源：上海交通大学、中科院物理研究 所、清华大学等 论文来源：《物理评论快报》第110卷第13期， 论文号：135002，2013年3月26日出版 本项工作在强激光驱动高能量密度物理研究中 取得了新进展。 近年来基于百太瓦级（1太瓦=10^12瓦）强激 光与等离子体作用产生新型粒子源（电子、离子加 速）和辐射源是强激光驱动高能量密度物理研究的 前沿热点课题。通过超短强激光等离子体作用，有 望在台面尺度上实现与大型传统加速器可比拟的加 速效果，且产生的粒子源和辐射源更短、更亮。早 在1979年，Tajima和Dawson首次提出了采用激光脉冲 产生的相速度接近光速的大振幅电子等离子体波（ 激光等离子体尾场）来加速电子。这种电子等离子 体波可以承载的加速梯度可达100GeV/m，即比传统 加速器的加速梯度高出3－4个数量级。在2002年， 人们首先在数值模拟研究中发现了大振幅电子等离 子体的空泡（Bubble）结构，它可以比较稳定地捕 获并加速等离子体中一部分电子，获得准单能的电 子束能谱结构。在2004年，国际上有三个实验室同 时在Nature杂志报道在实验上获得准单能的电子束产 生，该期Nature封面将其称为“Dream Beam”。这为 新型加速器的发展注入新的活力。目前利用激光等 离子体电子空泡加速，人们已能在数厘米的加速距 离中实现了GeV、准单能电子束的输出。但受限于空 泡固有尺寸以及电子注入方式，过去近10年里，人 们在实验上得到的电子束一直徘徊在飞秒脉宽、～ 10%的相对能散，以及10pC左右的电量。进而面向各 种可能的应用，其亮度、稳定性都有待大幅提高。 针对这些问题，基于大规模数值模拟和理论分 析，论文作者提出了一种新的机制直接控制电子注 入的时空位置，从而产生大电量（nC量级）的阿秒 电子层。数值模拟表明，这种完全受控的注入方式 能够大大改善电子束品质，同时首次在尾波里实现 了阿秒脉宽电子束的捕获。该方案要求的百太瓦级 激光功率和气体靶参数降低了对实验的要求，为实 现高重复率、高质量电子源提供了可能。该方案需 要相对较大的入射光斑，使得形成的电子束成片状 结构，后者为通过汤姆逊散射产生相干超亮X射线源 提供很好的载体。 相关工作发表在Phys. Rev. Lett. 110, 135002 (2013)。 图8 AES生成原理与一维PIC数值模拟
论文题目: Surface FacetofPallad ium Nanocrystals: 合亲和力 binding affinity)越强,药效越好”。然而, A Key param eter to the A ctivation ofm olecular0 xygen for近年来对已经上市药物的统计结果表明,药物与靶 O rgan ic Catalysis and Cancer Treatm ent 标的结合亲和性与药效没有直接的相关性,大多数 项目来源:国家自然科学基金、国家青年千人药物的药效与药物-受体结合的保留时间 Residence 计划、中科院百人计划 tie)成正比。药物-受体结合是一个动态过程,结合 用户来源:中国科学技术大学 亲和性是药物一靶标相互作用达到平衡时的热力学 论文来源:《美国化学会志》第135卷第8期 性质:另一方面,药物与受体结合和解离的动力学 页号:3200-3207,2013年2月27日出版 Kinetics性质主要由结合速率常数kon)解离速率常 本项研究发现金属晶面对于氧分子的活化具有数ko决定。药物-受体结合的保留时间是解离速 重要的调控作用 率常数的倒数,解离速率常数越小,药物在受体活 氧分子中的电子自旋态是影响很多化学与生性部位停留的时间越长,药效越好。因此,目前药 物体系中物种活性的关键。基于金属纳米晶体表面物发现方法、技术和策略正由“强调药物-受体结合 晶面调控技术,通过无机化学与理论化学、有机化的亲和性”向“全面考虑药物一受体结合的动力学行 学、物理化学、同步辐射技术等多学科的交叉合 为”转变 作,论文作者首次揭示了氧分子在不同钯晶面的吸 30多年来,基于结构的药物设计( structure 附与活化行为。通过合理的晶面选择,在分子吸附 based drug design,SBDD)发展迅速,基于分子对接 过程中可以自发地引发氧分子电子自旋态的改变 血 olecular dock ing的虚拟筛选( virtual screening)等 这项研究突破性的进展,有助于促进癌症光热疗材 方法已经成为药物发现的常规工具。然而,目前的 料设计的发展,对于阐明有机化学界在氧化反应中SBDD方法是基于“分子与靶标的结合亲和力( binding 广泛使用金属催化剂的原理具有重要意义 affin ity)越强,药效越好”的理念发展起来的,在 相关工作发表在JAm.Chem.So.135,3200-药物设计过程中仅仅考虑药物受体的结合强度。因 3207(2013)。该工作同时被美国化学与工程新闻( 此,目前的SBDD方法不能预测药物的药效,主要原 Chem ical& Engineering N ews)于2013年2月25日进行因是现有的理论计算方法不能准确预测药物-受体相 了题为“ SELECTNANOCRYSTAL FACETSACTⅣATE互作用热力学和动力学参数。 02”的报道 本项研究将能精确预测小分子一蛋白质结合方式 楼 的柔性分子对接方法和精确预测小分子一蛋白质结合 自由能的理论计算方法,与原先研究蛋白质折叠的 能量全景图理论( energy landscape theory)和研究化 adsorption Pa(100) oxidation reaction 学反应机理的过渡态理论 ransition state theory)相结 合,应用于药物-受体相互作用研究,发展了配体 受体结合自由能全景图6 ind ing free energy landscape构 建方法,由自由能全景图可以获得准确的配体一受体 Pd(111) less activated 图9氧分子在不同钯晶面上的活化行为差异示意图 结合热力学和动力学参数,预测药物的药效。应用 该方法,论文作者构建了国际上第一个精确的药物 论文题目: Free energy landscape for the binding 受体结合自由能全景图--—抗阿尔茨海默病天然药 rocess ofH uperzine a to acety cholinesterase 物石杉碱甲upA)和乙酰胆碱酯酶AChE)相互结合的 项目来源:973、863、国家自然科学基金、上 自由能全景图,由此预测了HupA和AChE的结合自由 海市科委基金等 能以及相应的动力学参数结合活化自由能和解离活 用户来源:大连理工大学、中科院上海药物研 化自由能)。与此同时,论文作者也通过实验测定了 究所、美国莱斯大学等 HupA和AChE的结合自由能、结合活化自由能和解离 论文来源:《美国科学院院刊》第110卷第 活化自由能。理论预测结果与实验测定结果完全一 11期,页号:4273-4278,2013年3月12日出版 本项研究是有关药物设计理论计算新方法发展 该理论计算方法的另一优点是,能给出药物 联合研究的结果,突破了现有计算机辅助药物设计 与受体结合和解离的详细轨迹和作用机制。据此论 方法不能预测药效这一难题 文作者提出了新的药物设计策略:改变以往仅考虑 现有药物发现理念是“分子与靶标受体)的结 分子与受体活性位点结合的亲和性,同时根据药物 与受体结合能量较低的活性位点和结合能较高的过
综合评论 7 论文题目：Surface Facet of Palladium Nanocrystals: A Key Parameter to the Activation of Molecular Oxygen for Organic Catalysis and Cancer Treatment 项目来源：国家自然科学基金、国家青年千人 计划、中科院百人计划 用户来源：中国科学技术大学 论文来源：《美国化学会志》第135卷第8期， 页号：3200-3207，2013年2月27日出版 本项研究发现金属晶面对于氧分子的活化具有 重要的调控作用。 氧分子中的电子自旋态是影响很多化学与生 物体系中物种活性的关键。基于金属纳米晶体表面 晶面调控技术，通过无机化学与理论化学、有机化 学、物理化学、同步辐射技术等多学科的交叉合 作，论文作者首次揭示了氧分子在不同钯晶面的吸 附与活化行为。通过合理的晶面选择，在分子吸附 过程中可以自发地引发氧分子电子自旋态的改变。 这项研究突破性的进展，有助于促进癌症光热疗材 料设计的发展，对于阐明有机化学界在氧化反应中 广泛使用金属催化剂的原理具有重要意义 相关工作发表在J. Am. Chem. Soc. 135, 3200- 3207（2013）。该工作同时被美国化学与工程新闻（ Chemical & Engineering News）于2013年2月25日进行 了题为“SELECT NANOCRYSTAL FACETS ACTIVATE O2”的报道。 图9 氧分子在不同钯晶面上的活化行为差异示意图 论文题目：Free energy landscape for the binding process of Huperzine A to acetylcholinesterase 项目来源：973、863、国家自然科学基金、上 海市科委基金等 用户来源：大连理工大学、中科院上海药物研 究所、美国莱斯大学等 论文来源：《美国科学院院刊》第110卷第 11期，页号：4273-4278，2013年3月12日出版 本项研究是有关药物设计理论计算新方法发展 联合研究的结果，突破了现有计算机辅助药物设计 方法不能预测药效这一难题。 现有药物发现理念是“分子与靶标(受体)的结 合亲和力(binding affinity)越强，药效越好”。然而， 近年来对已经上市药物的统计结果表明，药物与靶 标的结合亲和性与药效没有直接的相关性，大多数 药物的药效与药物-受体结合的保留时间(residence time)成正比。药物-受体结合是一个动态过程，结合 亲和性是药物-靶标相互作用达到平衡时的热力学 性质；另一方面，药物与受体结合和解离的动力学 (kinetics)性质主要由结合速率常数(kon)解离速率常 数(koff)决定。药物-受体结合的保留时间是解离速 率常数的倒数，解离速率常数越小，药物在受体活 性部位停留的时间越长，药效越好。因此，目前药 物发现方法、技术和策略正由“强调药物-受体结合 的亲和性”向“全面考虑药物-受体结合的动力学行 为”转变。 30多年来，基于结构的药物设计（structurebased drug design, SBDD）发展迅速，基于分子对接 (molecular docking)的虚拟筛选（virtual screening）等 方法已经成为药物发现的常规工具。然而，目前的 SBDD方法是基于“分子与靶标的结合亲和力（binding affinity）越强，药效越好”的理念发展起来的，在 药物设计过程中仅仅考虑药物-受体的结合强度。因 此，目前的SBDD方法不能预测药物的药效，主要原 因是现有的理论计算方法不能准确预测药物-受体相 互作用热力学和动力学参数。 本项研究将能精确预测小分子-蛋白质结合方式 的柔性分子对接方法和精确预测小分子-蛋白质结合 自由能的理论计算方法，与原先研究蛋白质折叠的 能量全景图理论（energy landscape theory）和研究化 学反应机理的过渡态理论(transition state theory)相结 合，应用于药物-受体相互作用研究，发展了配体- 受体结合自由能全景图(binding free energy landscape)构 建方法，由自由能全景图可以获得准确的配体-受体 结合热力学和动力学参数，预测药物的药效。应用 该方法，论文作者构建了国际上第一个精确的药物- 受体结合自由能全景图----抗阿尔茨海默病天然药 物石杉碱甲(HupA)和乙酰胆碱酯酶(AChE)相互结合的 自由能全景图，由此预测了HupA和AChE的结合自由 能以及相应的动力学参数(结合活化自由能和解离活 化自由能)。与此同时，论文作者也通过实验测定了 HupA和AChE的结合自由能、结合活化自由能和解离 活化自由能。理论预测结果与实验测定结果完全一 致。 该理论计算方法的另一优点是，能给出药物 与受体结合和解离的详细轨迹和作用机制。据此论 文作者提出了新的药物设计策略：改变以往仅考虑 分子与受体活性位点结合的亲和性，同时根据药物 与受体结合能量较低的活性位点和结合能较高的过
8 《高性能计算发展与应用》2014年第一期总第四十六期 渡态位点设计化合物,获得与活性位点结合亲和性移进行跟踪,发现[*-0-Ag构单元在太阳光照射 高、与过渡态位点亲和性低的化合物 下可以诱捕光致电子形成中间体,从而延长光致载 相关工作发表在PNAS110,4273-4278②013) 流子在催化剂中的寿命:DFT理论计算进一步证实 *-0-Ag靕结构单元可以大幅提高二氧化钛的光催化 活性。这些研究结果不仅有助于人们从分子水平上 理解光催化反应机理,而且对高效二氧化钛光催化 剂的设计具有一定的借鉴意义 相关工作发表在.Am.Chem.Soc.135,1607-1616 A)三维结合自由能面 CBa Conduction band vBa valence band 图11太阳光辐射下,Ag)共掺杂二氧化钛光催化剂电 子腔穴转移机理 0m20.0250000 名)结合自由能在反应坐标平面上的投影 论文题目: Ferroelectric Dom ains in M ultiferroic 图10石杉碱甲与乙酰胆碱酯酶相互作用自由能全景图 BiFeO3 F 项目来源:863、上海市东方学者计划、上海市 论文题目: Understand ing the h igh Photocatalytic 曙光学者计划、国家自然科学基金等 a ctivity of B, A)Codoped TD2 under Solar-Light 用户来源:上海大学、美国阿肯色大学、南京 Iradiation w ith xPs. Solid-State Nmr. and dft 航空航天大学等 Calculations 论文来源:《物理评论快报》第110卷第18期 项目来源:国家自然科学基金 论文号:187601,2013年5月3日出版 用户来源:中科院武汉物理与数学研究所、淅 本项工作在多铁性材料的物理机制研究方面取 江大学、台湾中央研究院原子与分子科学研究所等 得了突破性进展,提出了对铁电畴壁功能进行应变 论文来源:《美国化学会志》第135卷第4期, 工程调控的重要概念。 页号:1607-1616,2013年1月30日出版 多铁性是指在一定温度下物质中的铁电、铁磁 本项工作在二氧化钛光催化剂活 和铁弹性有序共存的性质,具有这种性质的物质称 究中取得重要进展 为多铁性材料。多铁性材料的独特性能使其不仅具 氧化钛是一种应用最为广泛的光催化剂,但 有深刻的理论研究价值,也具有广泛的实际应用前 其在太阳光下的反应活性较低。近年来,人们发现 景,是未来信息存储、传感器件、激励器及其自动 掺杂二氧化钛光催化剂不但能有效增加可见光的吸 控制的全新的候选材料。因此,多铁性材料也成为 收,而且还可以有效提高催化剂的光化学活性。然了材料科学和凝聚态物理研究领域,继高温超导和 而对于光催化剂活性增强机制却一直不甚明确,这 庞磁电阻之后的又一热点前沿课题, 已经成为阻碍光催化剂研发的一个重要因素 铁酸铋(BFeO3)是一种典型的多铁性材料,具 本项研究发现了佀,Ag)共掺杂二氧化钛光催化 有非常大的自发铁电极化强度和远高于室温的铁电 剂在可见光或太阳光下具有非常高的光催化活性 相变点和磁性相变点。在该材料中,铁电畴及其畴 并对催化剂的结构及其光催化机理进行了深入研 壁对铁电体的物理特性有巨大的影响,使其不仅可 究。研究人员利用灵敏度增强二维双量子魔角旋转 用于非挥发随机存储器和压电器件,而且在电子输 NMR新技术,发现银可以进入到二氧化钛的骨架 运和光伏效应等方面也存在潜在的科学价值 并与三配位间隙硼(T*)空间邻近,形成[*-0 论文作者运用第一性原理计算研究了铁酸铋薄 Ag结构单元:利用原位XPS技术对光致载流子的转 膜中η1°,109°和180°三种不同类型的畴壁:发现 这三种畴壁的能量均在铁酸铋薄膜从R相到T相转变
8 《高性能计算发展与应用》 2014年第一期 总第四十六期 渡态位点设计化合物，获得与活性位点结合亲和性 高、与过渡态位点亲和性低的化合物。 相关工作发表在PNAS 110, 4273-4278 (2013)。 (A)三维结合自由能面 (B)结合自由能在反应坐标平面上的投影 图10 石杉碱甲与乙酰胆碱酯酶相互作用自由能全景图 论文题目：Understanding the High Photocatalytic Activity of (B, Ag)-Codoped TiO2 under Solar-Light Irradiation with XPS, Solid-State NMR, and DFT Calculations 项目来源：国家自然科学基金 用户来源：中科院武汉物理与数学研究所、浙 江大学、台湾中央研究院原子与分子科学研究所等 论文来源：《美国化学会志》第135卷第4期， 页号：1607-1616，2013年1月30日出版 本项工作在二氧化钛光催化剂活性增强机制研 究中取得重要进展。 二氧化钛是一种应用最为广泛的光催化剂，但 其在太阳光下的反应活性较低。近年来，人们发现 掺杂二氧化钛光催化剂不但能有效增加可见光的吸 收，而且还可以有效提高催化剂的光化学活性。然 而对于光催化剂活性增强机制却一直不甚明确，这 已经成为阻碍光催化剂研发的一个重要因素。 本项研究发现了(B，Ag)共掺杂二氧化钛光催化 剂在可见光或太阳光下具有非常高的光催化活性， 并对催化剂的结构及其光催化机理进行了深入研 究。研究人员利用灵敏度增强二维双量子魔角旋转 NMR新技术，发现银可以进入到二氧化钛的骨架， 并与三配位间隙硼（T*）空间邻近，形成[T*-OAg]结构单元；利用原位XPS技术对光致载流子的转 移进行跟踪，发现[T*-O-Ag]结构单元在太阳光照射 下可以诱捕光致电子形成中间体，从而延长光致载 流子在催化剂中的寿命；DFT理论计算进一步证实 [T*-O-Ag]结构单元可以大幅提高二氧化钛的光催化 活性。这些研究结果不仅有助于人们从分子水平上 理解光催化反应机理，而且对高效二氧化钛光催化 剂的设计具有一定的借鉴意义。 相关工作发表在J. Am. Chem. Soc. 135, 1607-1616 (2013)。 图11 太阳光辐射下(B, Ag)共掺杂二氧化钛光催化剂电 子/空穴转移机理 论文题目：Ferroelectric Domains in Multiferroic BiFeO3 Films under Epitaxial Strains 项目来源：863、上海市东方学者计划、上海市 曙光学者计划、国家自然科学基金等 用户来源：上海大学、美国阿肯色大学、南京 航空航天大学等 论文来源：《物理评论快报》第110卷第18期， 论文号：187601，2013年5月3日出版 本项工作在多铁性材料的物理机制研究方面取 得了突破性进展，提出了对铁电畴壁功能进行应变 工程调控的重要概念。 多铁性是指在一定温度下物质中的铁电、铁磁 和铁弹性有序共存的性质，具有这种性质的物质称 为多铁性材料。多铁性材料的独特性能使其不仅具 有深刻的理论研究价值，也具有广泛的实际应用前 景，是未来信息存储、传感器件、激励器及其自动 控制的全新的候选材料。因此，多铁性材料也成为 了材料科学和凝聚态物理研究领域，继高温超导和 庞磁电阻之后的又一热点前沿课题。 铁酸铋（BiFeO3）是一种典型的多铁性材料，具 有非常大的自发铁电极化强度和远高于室温的铁电 相变点和磁性相变点。在该材料中，铁电畴及其畴 壁对铁电体的物理特性有巨大的影响，使其不仅可 用于非挥发随机存储器和压电器件，而且在电子输 运和光伏效应等方面也存在潜在的科学价值。 论文作者运用第一性原理计算研究了铁酸铋薄 膜中71°，109°和180°三种不同类型的畴壁；发现 这三种畴壁的能量均在铁酸铋薄膜从R相到T相转变
综合评论 的临界应变附近达到最大值。该成果预言应变将引电子、游离电子或过剩电子,通常表现为“干电 起畴壁能的次序改变、增强面外极化以及导致畴壁子”、“预溶剂化电子”或“溶剂化电子”,是 内外原子结构的新变化,为纳米科学、相变以及多类新型的量子“粒子”或电子“物质”。目前已发 铁性材料等相关研究开创了一个新的方向,即畴壁现此类弱束缚电子广泛存在于生命、材料、能源 功能的应变工程调控研究。 大气环境等众多领域,对分子、分子簇、聚集体乃 相关工作发表在 Phys. Rev.Let110,187601 至材料的性质能产生较大影响,甚至能使它们表现 出很多独特的性质,展现出诸多潜在的重要应用前 景。此类弱束缚电子的主要特点是受分子骨架的束 缚作用较弱,易于电离或游离:或属于多个分子 具有灵活的流动性、较大的离域性及超快的区域转 化动力学。其微观哈密尔顿算符不再或不严格遵守 厄米属性。毫无疑问,这些电子运动的变异性使得 排 其状态-性质表征及含时演化动力学描述变得比较困 难,目前业已成为该领域的前沿热点、难点课题, 相关工作发表在 Phys. Rev.Lett110,107602 2013) 图12铁酸铋薄膜中109°(a,b),71°(c,d)和 180°(e,f)三种不同类型的畴壁结构 论文题目: Excess D electron in an lon ic l iquid as a D ynam ic B polaron 项目来源:国家自然科学基金,教育部新世纪 优秀人才支持计划,山东大学自主创新基金 ≥。才 用户来源:山东大学、美国密歇根州立大学 论文来源:《物理评论快报》第110卷第10期, 图13计算机模拟弱束缚电子的时间演化动力学 论文号:107602,2013年3月6日出版 本项工作首次报道了离子液中“溶剂化双电 论文题目: Stable three- d in ensionalm etallic carbon 子”结构、状态及其演化规律,发现了双电子在此 w ith interlock ing hexagons 类流体介质中无论单重态还是三重态的新颖的双极 项目来源:973、国家自然科学基金等 化子特征,以及两电子的非协同的、定域-离域互换 用户来源:北京大学、美国弗吉尼亚联邦大 式的特殊时间演化动力学,从而在稳态分子动力学学、上海技术物理研究所 水平上给出了双电子间耦合相关的含时动力学统计 论文来源:《美国科学院院刊》第110卷第 信息。此外,此项工作还论证了两电子间非共线自47期,页号:18809-18813,2013年11月19日出版 旋耦合的可能性以及此类液体可能展现的磁性特征 本项研究从理论上证实可能存在处于常温常压 电子基本运动规律的描述一直是化学、物理下并具有金属特性的三维形式的碳。这一研究成果 等诸多学科领域的重大而又基本的科学问题。实际将极大地推进碳科学的研究 上,电子可简单定性分为“强束缚态电子”和“弱 碳科学是科学家们非常关注的研究领域。碳不 束缚态电子”。前者主要包括核实电子、价态电仅是形成生命的化学基础,而且具有丰富的化学和 子以及低激发态电子,是形成分子骨架或各种分物理特性,是材料科学家感兴趣的目标。碳可以多 子结构的重要组成部分:后者则是光激、辐射 种结构形式存在,从石墨到金刚石,再到富勒烯 甚至溶剂化等造成的存在于溶剂分子环境中的次生碳纳米管和石墨烯。但要找到能够在常温常压条件
综合评论 9 的临界应变附近达到最大值。该成果预言应变将引 起畴壁能的次序改变、增强面外极化以及导致畴壁 内外原子结构的新变化，为纳米科学、相变以及多 铁性材料等相关研究开创了一个新的方向，即畴壁 功能的应变工程调控研究。 相关工作发表在Phys. Rev. Lett. 110, 187601 (2013)。 图12 铁酸铋薄膜中109°（a，b），71°（c，d）和 180°（e，f）三种不同类型的畴壁结构 论文题目：Excess Dielectron in an Ionic Liquid as a Dynamic Bipolaron 项目来源：国家自然科学基金，教育部新世纪 优秀人才支持计划，山东大学自主创新基金 用户来源：山东大学、美国密歇根州立大学 论文来源：《物理评论快报》第110卷第10期， 论文号：107602，2013年3月6日出版 本项工作首次报道了离子液中“溶剂化双电 子”结构、状态及其演化规律，发现了双电子在此 类流体介质中无论单重态还是三重态的新颖的双极 化子特征，以及两电子的非协同的、定域-离域互换 式的特殊时间演化动力学，从而在稳态分子动力学 水平上给出了双电子间耦合相关的含时动力学统计 信息。此外，此项工作还论证了两电子间非共线自 旋耦合的可能性以及此类液体可能展现的磁性特征。 电子基本运动规律的描述一直是化学、物理 等诸多学科领域的重大而又基本的科学问题。实际 上，电子可简单定性分为“强束缚态电子”和“弱 束缚态电子”。前者主要包括核实电子、价态电 子以及低激发态电子，是形成分子骨架或各种分 子结构的重要组成部分；后者则是光激、辐射、 甚至溶剂化等造成的存在于溶剂分子环境中的次生 电子、游离电子或过剩电子，通常表现为“干电 子”、“预溶剂化电子”或“溶剂化电子”，是一 类新型的量子“粒子”或电子“物质”。目前已发 现此类弱束缚电子广泛存在于生命、材料、能源、 大气环境等众多领域，对分子、分子簇、聚集体乃 至材料的性质能产生较大影响，甚至能使它们表现 出很多独特的性质，展现出诸多潜在的重要应用前 景。此类弱束缚电子的主要特点是受分子骨架的束 缚作用较弱，易于电离或游离；或属于多个分子， 具有灵活的流动性、较大的离域性及超快的区域转 化动力学。其微观哈密尔顿算符不再或不严格遵守 厄米属性。毫无疑问，这些电子运动的变异性使得 其状态-性质表征及含时演化动力学描述变得比较困 难，目前业已成为该领域的前沿热点、难点课题。 相关工作发表在Phys. Rev. Lett. 110, 107602 (2013)。 图13 计算机模拟弱束缚电子的时间演化动力学 论文题目：Stable three-dimensional metallic carbon with interlocking hexagons 项目来源：973、国家自然科学基金等 用户来源：北京大学、美国弗吉尼亚联邦大 学、上海技术物理研究所 论文来源：《美国科学院院刊》第110卷第 47期，页号：18809-18813，2013年11月19日出版 本项研究从理论上证实可能存在处于常温常压 下并具有金属特性的三维形式的碳。这一研究成果 将极大地推进碳科学的研究 碳科学是科学家们非常关注的研究领域。碳不 仅是形成生命的化学基础，而且具有丰富的化学和 物理特性，是材料科学家感兴趣的目标。碳可以多 种结构形式存在，从石墨到金刚石，再到富勒烯、 碳纳米管和石墨烯。但要找到能够在常温常压条件
10c性能计算发展与应用)21年第一期总第四十六期 下稳定存在并且具有金属特性的三维形式的碳 相关工作发表在PNAS110,18809-18813013)。 直是科学家们面临的挑战 3D Metallic Carbon with interlocking Hexagon 此项工作通过分析实现金属碳所需的条件,以 碳的六元环为结构基元,设计出了相互嵌套的三维 碳结构,并通过基于理论的深入研究,证明了由这 种结构单元的奇妙组合所构成的三维碳结构不仅能 在常温常压下稳定存在,而且表现出金属性。这种 维金属碳,由于其费米面处的电子态密度高,且 具有纳米多孔性,可能表现出新奇的催化特性,并 还可能具有负微分阻抗、磁性和超导性等奇特物 理特性,在研发适用于太空、催化作用以及负微分 电阻器件或超导设备的轻金属方面等许多领域,都 具有广阔的应用前景。这一发现将极大地丰富人们 图14操控碳形成具有金属性质环环相扣的三维六角形 对碳材料的特性的认识并拓宽其应用领域。 要闻集锦 美国明确未来10年E级计算发展路线图 2013年12月26日,美国总统奥巴马正式签署 能够处理数据存储容量、速度和差异性的数据管 了“2014年国防授权法案”,其中提出了对美国能源部理软件 发展E级(百亿亿次级)计算能力的指导意见。法案指 能表达大规模并行、数据局部性和弹性的编程环 出,核安全的管理者需要在本法案通过后的10年期间, 制定并执行E级计算的开发计划,并将这一计算力量纳 针对E级计算重新表述科学问题并重新制定解决 入到核储备的管理程序中 方案算法 美国能源部在美国丹佛举行的先进科学计算顾问 ·在错误、重现和算法验证中确保正确性: 委员会( A SC AC)会议上明确了美国未来10年E级计算 针对发现、设计和决策的数学优化和不确定性量 的发展路线图。路线图指出,除了武器研发和模拟外 E级计算还将在大数据集处理方面(例如基因组学、气 ·实现科学生产力的软件工程和支撑结构 模拟和高能物理学等)发挥关键作用。为了满足E级 为了解决这些挑战,美国能源部已经相继启动了 计算需求,未来的超大规模计算系统必须在保持当前系 Fast Forw al和 D esign Forw a等计划。其中 Fast for 统的体积和功耗的前提下,将性能提升500至1000倍 ward计划已于2012年7月启动,由能源部下属科学办公 这样的发展仅靠当前商用产品的正常演进是不可能实现室投资6240万美元,承包商包括AMD、BM、hnte和 的,必须在计算技术方面实现巨大的创新型进展。为 NVID IA等公司。 D esign Forw arm计划已于2013年秋启 此,先进科学计算顾问委员会E级计算小组委员会提出动,由能源部下属国家核安全管理局投资2540万美元, 了实现E级计算所面临的10大技术挑战 承包商除了上述四家外,还有Cmy公司。除此之外,还 高能效的电路、电源和冷却技术 有很多超大规模软件计划也正在进行中,其中包括2012 高性能互连技术: X-Stck、Co- D esign C enters.Mod/Sim、20130S/R和 ·大幅提高容量和带宽的高级存储器技术 Exascale M pe等。 能感知功耗和弹性的可扩展系统软件: (李苏)
10 《高性能计算发展与应用》 2014年第一期 总第四十六期 下稳定存在并且具有金属特性的三维形式的碳，一 直是科学家们面临的挑战。 此项工作通过分析实现金属碳所需的条件，以 碳的六元环为结构基元，设计出了相互嵌套的三维 碳结构，并通过基于理论的深入研究，证明了由这 种结构单元的奇妙组合所构成的三维碳结构不仅能 在常温常压下稳定存在，而且表现出金属性。这种 三维金属碳，由于其费米面处的电子态密度高，且 具有纳米多孔性，可能表现出新奇的催化特性，并 且还可能具有负微分阻抗、磁性和超导性等奇特物 理特性，在研发适用于太空、催化作用以及负微分 电阻器件或超导设备的轻金属方面等许多领域，都 具有广阔的应用前景。这一发现将极大地丰富人们 对碳材料的特性的认识并拓宽其应用领域。 相关工作发表在PNAS 110, 18809-18813 (2013)。 图14 操控碳形成具有金属性质环环相扣的三维六角形 结构 要 闻 集 锦 2013年12月26日，美国总统奥巴马正式签署 了“2014年国防授权法案”，其中提出了对美国能源部 发展E级（百亿亿次级）计算能力的指导意见。法案指 出，核安全的管理者需要在本法案通过后的10年期间， 制定并执行E级计算的开发计划，并将这一计算力量纳 入到核储备的管理程序中。 美国能源部在美国丹佛举行的先进科学计算顾问 委员会（ASCAC）会议上明确了美国未来10年E级计算 的发展路线图。路线图指出，除了武器研发和模拟外， E级计算还将在大数据集处理方面（例如基因组学、气 候模拟和高能物理学等）发挥关键作用。为了满足E级 计算需求，未来的超大规模计算系统必须在保持当前系 统的体积和功耗的前提下，将性能提升500至1000倍。 这样的发展仅靠当前商用产品的正常演进是不可能实现 的，必须在计算技术方面实现巨大的创新型进展。为 此，先进科学计算顾问委员会E级计算小组委员会提出 了实现E级计算所面临的10大技术挑战： •高能效的电路、电源和冷却技术； •高性能互连技术； •大幅提高容量和带宽的高级存储器技术； •能感知功耗和弹性的可扩展系统软件； •能够处理数据存储容量、速度和差异性的数据管 理软件； •能表达大规模并行、数据局部性和弹性的编程环 境； •针对E级计算重新表述科学问题并重新制定解决 方案算法； •在错误、重现和算法验证中确保正确性； •针对发现、设计和决策的数学优化和不确定性量 化； •实现科学生产力的软件工程和支撑结构。 为了解决这些挑战，美国能源部已经相继启动了 Fast Forward和Design Forward等计划。其中Fast Forward计划已于2012年7月启动，由能源部下属科学办公 室投资6240万美元，承包商包括AMD、IBM、Intel和 NVIDIA等公司。Design Forward计划已于2013年秋启 动，由能源部下属国家核安全管理局投资2540万美元， 承包商除了上述四家外，还有Cray公司。除此之外，还 有很多超大规模软件计划也正在进行中，其中包括2012 X-Stack、Co-Design Centers、Mod/Sim、2013 OS/R和 Exascale MPI等。 美国明确未来10年E级计算发展路线图 （李 苏）