全文速递 - 先进材料多尺度力学

      近日，西安交通大学航天航空学院刘益伦教授团队在固体力学知名期刊《Extreme Mechanics Letters》上发表了题为“Exploring Conformational Landscapes of Two-dimensional Macromolecules via Well-tempered Metadynamics”的研究论文。该研究采用精心设计的序参量（均方回转半径和形状描述符）进行增强采样模拟，系统地描绘了二维大分子的完整构象空间，识别出平坦、折叠和卷曲三种亚稳态构象。研究深入阐明了弯曲刚度与界面粘附能在构象自由能面形成过程中的协同作用机制。通过将自由能分解为熵和焓贡献，定量表征了温度依赖的热力学驱动力对构象转变的影响规律。该研究建立了一个量化二维大分子体系中亚稳构象的自由能与熵的计算框架，为二维大分子的构象调控及自组装行为提供了新的理论指导。

内容概述

      二维大分子因其原子级厚度而表现出复杂且丰富的三维构象特征，这些构象赋予其独特的功能特性，而且显著地调节其自组装行为。传统计算模拟方法主要依赖于施加外部定向约束或系统调整材料参数来实现不同构象态，难以全面捕获完整的构象景观及其转变路径。WT-MetD(Well-Tempered Metadynamics)方法通过引入历史依赖的偏置势，能够加速罕见事件的采样并准确计算复杂分子体系的自由能面，只需设计合适的序参量(collective variables, CVs)即可实现对整个相空间的全面采样。

      该研究运用WT-MetD方法系统地绘制了二维大分子的构象景观（图1）。模拟结果表明，体系存在三种亚稳态构象：平坦态、折叠态和卷曲态，这些构象在自由能面上表现为局部最小值。通过有限温度法将自由能分解为熵自由能和焓自由能项，研究定量解析了构象转变路径中熵和焓的相对贡献（图2）。

      此外，研究还系统考察了不同温度下弯曲刚度和界面粘附能对构象稳定性的影响（图3）。结果表明，较低的粘附能结合较大的弯曲刚度倾向于形成平坦构象，而较高的粘附能与较小的弯曲刚度则有利于卷曲构象的形成。据此，我们提出了一种基于温度调控的构象转变策略：当温度从100K升高到700K时，体系的基态构象可实现从卷曲/折叠态向平坦态的可控转变（图4）。本研究加深了对二维大分子体系构象动力学的基础认识，为二维大分子的构象调控及其自组装技术提供了新思路。

图1. 二维大分子构象的WT-MetD模拟验证。

图2. 构象转变路径及熵-焓贡献分析。

图3. 不同温度和弯曲刚度下以SF和Rg为序参量的自由能面分布（γ = 0.26 J/m2）。

图4. 基于温度控制的基态构象调节。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431625001336

      论文第一作者为课题组的博士研究生赵艳艳，通讯作者是课题组的陈炎助理教授和刘益伦教授。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、陕西省科协青年托举人才计划和陕西省科学研究计划等项目的资助。