中科院上海应用物理研究所

报告人简介：
主要研究领域集中在复杂离子溶液中生物分子和碳基结构的特性研究。基于统计物理思想，发现在水溶液中，多离子体系水合离子在芳环表面较短驻留时间的叠加效应以及多芳环体系水合离子在其表面的集体效应会导致可观的水合离子-π作用，该效应由于溶液中水对离子的屏蔽效应而长期被人们忽略。进而基于量子计算构建相关经典力场，自主开发生成软件，从简单单一石墨烯表面到复杂生物分子开展研究。此外，还基于反应动力学计算构建了无参数化完全自主知识产权的氧化石墨烯（GO）模型及相应生成软件。在国内外学术期刊上已经发表论文30多篇(第一或通讯20多篇)，其中包括Nature、PRL (3篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (3篇)、PNAS、JACS、Part. Fibre Toxicol.等，此外，还获得软件著作权，申请国际、国内发明专利多项，2017年获得国家优秀青年基金。

报告摘要:
生物体系和很多材料体系都处于复杂离子溶液中，碳基材料是构成生命体和各种材料的最主要和基本原料，溶液中离子与碳基界面的作用直接影响其结构，性质和功能。富含π电子的芳环结构（以碳原子为主体的环状结构，含多个π电子）广泛存在于碳基材料中，如：芳环氨基酸（色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸）、DNA和RNA核酸碱基、石墨烯、碳纳米管和富勒烯等。上世纪80年代人们发现离子与芳环结构间相互作用（离子-π作用）。然而一般认为水的屏蔽效应会使离子在芳环上只有很短驻留时间，因此在溶液中离子的影响可被忽略。基于统计物理思想，结合量子计算我们构建相关经典力场，自主开发了复杂离子溶液中水合离子-π作用生成软件，基于该软件，提出并实现了用水合离子自身精确控制石墨烯膜内的层间距，展示了其可用于水处理和离子分离功能[2]；我们还发现了制约碳纳米管净水膜应用的关键性问题，提出了相应改良方案[3]，其被英国的Chemistry World 以“纳米碳管海水脱盐膜研究可以重回正轨”为题进行了专门报道(Nanotube desalination could be put back on track) ；此外，我们理解到溶液中离子通过该作用会显著增强溶液中水分子与芳环结构间的作用，并在理论指导下实验发现金属阳离子意想不到的提高芳香环氨基酸和含芳环结构短肽的水溶性，进一步用中子散射、紫外等实验来确证是离子和苯环作用导致这样的实验结果，该发现改变了人们长期认为即使在离子溶液下芳环结构依然是疏水的认识，拓展了教科书上关于离子与基酸作用的传统认识 [4]。

[1] Ma, J. C.; Dougherty, D. A. Chem. Rev. 97, 1303 (1997).
[2] L. Chen#, G. Shi#(equal contributors), et al., Nature 550, 380 (2017).
[3] J. Liu, G. Shi*, et al., Phys. Rev. Lett. 115, 164502 (2015).
[4] G. Shi, et al., Phys. Rev. Lett., 117, 238102 (2016).

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