Surface Tension of Electrolyte Solutions: A Self-consistent Theory
研究了电解质溶液在空气/水和油/水界面的表面张力。采用场论方法，考虑阴离子与表面的短程相互作用，将Helmholtz自由能展开到一阶环展开，计算了表面的超额表面张力。我们的方法是自洽的，并产生一个分析预测，重新统一的Onsager-Samaras开创性的结果（这与实验数据不一致），与离子特异性的霍夫迈斯特系列。我们得到解析的表面张力依赖于离子强度，离子尺寸和离子表面相互作用，并因此表明，Onsager-Samaras的结果是一致的，超过平均场的结果与单回路校正。我们的理论使用一个拟合参数很好地拟合了不同盐的各种浓度，再现了空气/水和油/水界面阴离子的逆霍夫迈斯特级数。10.1029
2014-04-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Surface Tension of Electrolyte Interfaces: Ionic Specificity within a Field-Theory Approach
本文研究了离子溶液在空气/水和油/水界面上的表面张力。通过使用场论方法和包括一个有限的近端表面区域与离子的具体相互作用。自由能扩展到一阶环展开超出平均场的结果。我们计算了过量的表面张力，并获得分析预测，团聚Onsager-Samaras开拓性的结果（这与实验数据不一致），与离子特异性的霍夫迈斯特系列。我们推导出解析的表面张力依赖于离子强度，离子大小和离子表面相互作用，并因此表明，Onsager-Samaras的结果是一致的，超过平均场的结果与单回路校正。我们的理论很好地适应了广泛的盐浓度为不同的单价离子，每个电解质使用一个适合的参数，并再现了反霍夫迈斯特系列的阴离子在空气/水和油/水界面。
2015-01-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Water Contribution to the Protein Folding and its Relevance in Protein Design and Protein Aggregation
水在蛋白质稳定性中起着重要作用。然而，水的性质对蛋白质行为的影响仅被部分理解。已经提出了几种理论来深入了解冷变性和压力变性的机制，或者温度和压力的极限，在此之上没有蛋白质具有稳定的功能状态，或者解折叠和聚集是如何相关的。在这里，我们回顾了我们的结果的基础上的理论方法，可以合理化的水对蛋白质溶液的自由能的贡献。我们使用蒙特卡罗模拟，我们如何可以合理化实验数据与我们最近的结果。我们讨论了我们的研究结果如何有助于开发新的合成生物聚合物的设计新的策略或减轻神经退行性病变的可能方法。
2021-03-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Putting Proteins back into Water
我们引入一个简化的蛋白质模型，其中溶剂（水）的自由度显式出现（虽然在一个非常简化的方式）。使用这个模型，我们能够恢复在很宽的温度范围内的蛋白质的热力学现象。特别是，我们描述了一个单一的框架内的温暖和{ \it冷}蛋白质变性，同时解决重要的问题模型蛋白质的结构。
2000-10-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
Unraveling the behavior of the individual ionic activity coefficients on the basis of the balance of ion-ion and ion-water interactions
我们使用基于离子-离子（II）和离子-水（IW）相互作用的竞争的理论研究了纯1：1和2：1电解质的各个活度系数（Alfreze等人，J. Chem.Phys.133，154507，2010）。II项计算从巨正则蒙特卡罗模拟的基础上的隐式溶剂模型的电解质使用硬球离子与鲍林半径。IW项是根据Born对溶剂化的处理，使用实验水合自由能计算的。这两个术语通过电解质的浓度依赖性介电常数耦合。用这种方法，我们能够重现的非单调浓度依赖性的纯电解质的平均活度系数定性，而无需使用可调参数。在本文中，我们表明，该理论也可以提供有价值的洞察个人的活度系数的行为。我们将我们的理论预测与含有离子特定电极的电化学电池测量的实验数据进行比较。在平均活度系数的情况下，我们发现良好的协议为2：1电解质，而我们的模型的准确性是较差的1：1系统。这种精度偏差的原因是，在2：1的情况下，两个竞争项（II和IW）要大得多，因此两个独立项的误差影响较小。阳离子和阴离子的过剩化学势之差（活度系数之比）取决于两种离子性质的不对称性：电荷、半径和水合自由能。
2014-09-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
More than one dynamic crossover in protein hydration water
对过冷区域液态水的研究使人们对水的结构和行为有了更多的了解。虽然散装水冻结在其均匀的成核温度约235 K，蛋白质水合水，水分子的蛋白质的结合避免结晶。在这里，我们研究的氢键（HB）网络的水分子的膨胀层的动力学，比较测量的水合球状蛋白质的粗粒度模型，已被证明成功地再现水合水的性质的结果。利用介电谱测量了质子电荷涨落弛豫时间随温度的变化关系。这些波动与吸附在蛋白质表面上的水分子的HB网络的动力学有关。用蒙特卡罗（MC）模拟和平均场（MF）计算研究了该模型的动力学和热力学性质。在实验和模型分析中，我们发现两个动态交叉：（i）一个在252 K左右，（ii）一个在181 K左右。与模型的实验的协议，使我们能够在环境压力下的两个比热最大值的存在下的两个交叉。第一个是由于HB形成的波动，第二个，在较低的温度下，是由于HB网络的合作重新排序。
2011-08-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
How the stability of a folded protein depends on interfacial water properties and residue-residue interactions
蛋白质只有在其天然状态下折叠时才起作用，但温度T和压力P的变化会诱导其解折叠。因此，对于每种蛋白质，在T-P热力学平面中存在稳定区（SR），在该稳定区之外生物分子变性。已知SR的延伸和形状取决于i）氨基酸序列天然状态下的特定蛋白质残基-残基相互作用和ii）水合界面处的水性质。在这里，我们通过蒙特卡罗模拟分析了不同的粗粒度蛋白质模型在显式水中的i）和ii）的变化如何影响SR。我们表明，溶剂性质ii）是必不可少的，以合理化SR形状在低T和高P，我们的发现是强大的参数变化和不同的蛋白质模型。这些结果可以帮助开发新的策略，设计新的合成生物聚合物。
2017-04-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Protein folding mediated by solvation: water expelling and formation of the hydrophobic core occurs after the structure collapse
利用一个极简模型研究了蛋白质折叠中天然结构的结构搜索和去溶剂化之间的相互作用。这些结果支持折叠机制，其中蛋白质的大部分结构形成是在水从疏水核心排出之前实现的。这种观点将水分排出效应整合到蛋白质折叠的漏斗能量景观理论中。显示了SH3蛋白的实验结果的比较。在折叠转变之后，发现了具有部分溶剂化的疏水核心的接近天然的中间体。这个转变之后是最后一步，该步骤合作地将水分子从部分水合的蛋白质核心中挤出。
2002-03-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
Dynamical coupling between protein conformational fluctuation and hydration water: Heterogeneous dynamics of biological water
我们研究了溶剂化动力学中水和氨基酸侧链残基之间的动力学耦合，通过选择通常用作天然探针的残基，即色氨酸，酪氨酸和组氨酸，位于蛋白质表面的不同位置，并具有不同程度的溶剂暴露。发现这种不同位置的残基表现出不同的弛豫时间尺度。总溶剂化响应，如通过探针测量的，根据其与（i）蛋白质核心、（ii）侧链原子和（iii）水分子的相互作用进行分解。这些贡献之间的显着的反交叉相关性被观察到作为一个结果的侧链辅助能量流之间的蛋白质核心和水化层，这是重要的蛋白质的适当的功能。还观察到，有旋转更快以及更慢的水分子比本体溶剂，这被认为是负责的溶剂化动力学中观察到的众多的时间尺度。我们还建立了缓慢的溶剂化来自蛋白质侧链波动的显着贡献。当蛋白质侧链的运动被强制淬灭时，溶剂化根据探针的位置变得更快或更慢。
2017-02-28 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph q-bio.BM
Correlation-induced viscous dissipation in concentrated electrolytes
针对现有模型难以复现浓电解质粘度实验数据的问题，本研究采用随机密度泛函理论方法，建立粘度修正与液体结构因子的关联并推导出解析表达式，其预测在全温度、全盐浓度范围与实验定量吻合，为理解高浓强关联体系的纳米尺度动力学提供了依据。
2024-01-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Path Dependence in Alchemical Calculations of Water Chemical Potential in Aqueous Electrolytes
Yale University（耶鲁大学）；Sabancı University（萨班奇大学）
研究水在水合电解质中的化学势计算，发现路径设计对结果影响显著，需分离短程与静电相互作用以提高准确性。
2026-05-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Screened Coulombic Orientational Correlations in Dilute Aqueous Electrolytes
利用液体物理中的Ornstein-Zernike积分方程方法，定量地解释了最近在二次谐波散射实验中观察到的，并在大尺度分子动力学模拟中得到证实的离子诱导的水分子间长程取向有序.这种一般效应，不特定于氢键溶剂，是由电中性条件，偶极相互作用和介电+离子屏蔽控制。正如预期的那样，所有的数值理论都恢复了40年前建立的著名的解析表达式。
2018-03-28 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Ion-dipole interactions are asymptotically unscreened by water in dipolar nanopores, yielding patterned ion distributions
电解质在水填充的纳米孔中的渗透、排斥和运输对于合成多孔膜中的离子电流门控和脱盐过程以及生物离子通道的功能至关重要。尽管限制孔极化率和离散通道电荷位点的影响已经被大量研究，但偶极内衬的合成孔对电解质的潜在显著影响很少被解决。偶极层自然地出现在某些纳米孔的内表面上，导致对阳离子或阴离子的固有偏好。当膜表面与孔内部不同地官能化时，或者当长孔内部存在交替的偶极/非偶极伸展时，可以利用这种偏好。偶极-离子相互作用渐近地不被水屏蔽，导致离子的、电荷分离的、绝缘的行为，其可以阻止离子传输，以及潜在的新颖的电流-电压（I-V）特性。
2008-04-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
A possible mechanism for cold denaturation of proteins at high pressure
我们研究蛋白质在高压下的冷变性。利用多正则蒙特卡罗模拟的模型蛋白质在水浴中，我们研究了水密度波动对蛋白质稳定性的影响。我们发现，以上的压力，水冻结到密集的冰相（$\approx2$千巴），冷变性与温度降低的机制是当地的低密度水结构的损失。我们发现我们的结果与牛胰腺核糖核酸酶A的数据一致。
2003-06-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
Pressure Effects in Supercooled Water: Comparison between a 2D Model of Water and Experiments for Surface Water on a Protein
在大量水中的实验证实了具有不同密度的水分子的两种局部排列的存在，但是，由于在低温$T$下不可避免的冻结，不能确定这两种排列是否在两个阶段中分离。为了避免冻结，新的实验测量了蛋白质表面上低$T$时的水动力学，发现了从高$T$时的非阿耳忒弥斯状态到低$T$时近似阿耳忒弥斯状态的交叉。受这些实验的启发，Kumar等人[Phys. Rev. Lett. 100，105701（2008）]通过Monte Carlo模拟和平均场计算，研究了在水的细胞模型中动态交叉与两个液相共存的关系，并预测：（i）动态交叉是等时的，即交叉时间$τ_{\rm L}$的值近似与压力$P$无关;（ii）低- $T$状态的Arrhenius活化能$E_{\rm A}(P)$随着$P$的增加而降低;（iii）$τ$达到固定宏观时间$τ^*\geq τ_{\rm L}$时的温度$T^*(P)$随着$P$的增加而降低;特别地，这对于$τ=τ_{\rm L}$达到固定宏观时间时的交叉温度$T_{\rm L}(P)$也是如此。在这里，我们将这些预测与最近的准弹性中子散射（QENS）实验进行比较。Q. Chu { \it等}在不同的$P$值下对水合蛋白质的影响。我们发现，实验与这三个预测一致。
2008-10-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Can we describe charged nanoparticles with electrolyte theories? Insight from mesoscopic simulation techniques
电解质理论能够描述简单电解质在溶液中的结构和动力学性质，例如氯化钠在水中。将这些理论用于带电纳米粒子的水溶液是从实验数据中提取其电荷和大小的直接途径。然而，对于这样的强不对称电解质，基本近似的有效性从来没有受到过适当的挑战与精确的模拟结果。在目前的工作中，完善的介观数值模拟是用来挑战先进的电解质理论预测带电纳米粒子悬浮液的电导率的能力，在无盐的情况下。正在调查的理论是基于Debye-Fuoss-Onsager处理电解质运输。当纳米颗粒足够小（大约1纳米大）时，即使在高浓度区域（纳米颗粒中的填充分数大于3 $\%$），理论结果也与模拟结果非常吻合。引人注目的是，对于高度带电的纳米颗粒，该理论能够捕获电导率与其在无限稀释时的值（理想值）的比率作为浓度的函数的非单调变化。然而，测试的理论未能描述含有较大纳米颗粒（{ \em，例如}）的悬浮液的电导率。直径为$4$ ~nm）。最后，就电解质理论而言，只有小的带电纳米颗粒可以被认为是{ \em离子}。
2020-01-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Structural Fluctuation of Protein in Water around Its Native State: A New Statistical Mechanics Formulation
基于广义Langevin方程和分子液体的3D-RISM/RISM理论，提出了一种表征蛋白质结构涨落与水结构涨落相关性的新的统计力学公式.蛋白质的动力学变量选择原子位置的位移矢量及其共轭动量，而水的动力学变量选择原子的密度场及其动量场。用标准投影算子法将其它自由度投影到这些动力学变量上，得到两个相互耦合的方程，它们描述了溶剂密度场和蛋白质构象在平衡态附近的涨落随时间的演化。关于蛋白质动力学的方程在形式上类似于耦合朗之万振子的方程，并且是后者在原子水平上的推广。新方程最有趣的特点是它包含方差-协方差矩阵作为描述恢复平衡构象的“力”的“Hessian”项，该“力”是原子位置涨落的二阶矩。“Hessian”矩阵自然地被识别为平衡周围的自由能表面的二阶导数。提出了一种基于3D-RISM/RISM理论的Hessian矩阵计算方法。还提出了本发明的制剂在分子识别中的应用，其中蛋白质围绕其天然状态的构象波动成为重要因素，如所谓的“诱导拟合”所例示的。
2012-10-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Statistical Mechanics Model for Protein Folding
本文提出了一种新的统计力学方法，用于描述水环境中蛋白质折叠$\leftrightarrow$的展开转变过程。形式主义的基础上的配分函数的蛋白质服从两阶段的折叠动力学的建设。利用疏水碳氢化合物溶剂化的统计力学模型，得到了蛋白质在水环境中无限稀释溶液的配分函数。计算的蛋白质热容量对温度的依赖关系进行了比较与葡萄球菌核酸酶和高铁肌红蛋白的实验测量的相应结果。
2010-05-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
