Environment-Induced Exciton Renormalization in the Photosystem II Reaction Center
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；Princeton University（普林斯顿大学）
该研究通过BSE方法揭示了蛋白质环境对光系统II反应中心激发子能量的重整化作用，展示了大规模多体计算在生物纳米结构中的应用潜力。
2026-02-23 physics.chem-ph
Long-range coherent energy transport in Photosystem II
我们模拟了光系统II中的长程复合物间电子能量转移-从天线复合物，通过核心复合物，到反应中心-使用非马尔可夫（ZOFE）量子主方程描述，使我们能够量化能量转移中涉及的电子相干性。我们确定的耦合发色团的网络中的能量转移的途径，使用基于激发概率电流的描述。我们调查如何的能量转移取决于初始激发-本地化，相干的初始激发与离域，非相干的初始激发-并发现，相对于初始条件的这种强烈的变化的能量转移是非常强大的。为了探索振动增强转移的重要性，并解决系统参数优化的问题，我们改变了电子和振动自由度之间的耦合强度。我们发现，原始参数位于一个（广泛的）区域，使最佳的传输效率，和能量转移似乎是非常强大的振动耦合的变化。然而，振动增强转移似乎是至关重要的，以获得高转移效率。我们比较我们的量子模拟的“经典”速率方程的基础上修改的Redfield/广义Förster描述，以前用于模拟整个光系统II复杂的能量传递动力学，并找到很好的协议之间的量子和速率方程模拟的整体能量传递动力学。
2015-01-27 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
The initial charge separation step in oxygenic photosynthesis
光系统II对地球生命至关重要，因为它通过光诱导电子转移和水分解反应提供氧气。光系统II-反应中心（PSII-RC）的激发态动力学一直是一个生动的辩论，因为嵌入的发色团的吸收光谱显着重叠，因此它是非常难以区分瞬态。在这里，我们报告的二维电子振动光谱的PSII-RC的研究。沿可见光激发和红外检测轴的同时分辨率是至关重要的，允许激子态的特性和它们之间的相互作用被清楚地区分。特别是，这项工作表明，混合激子电荷转移状态，以前提出的负责光合作用的远红光操作，其特征在于由Chl $_{\rm D1}^+$苯丙氨酸$^-$自由基对，可以直接制备光激发。此外，我们发现，在PSII-RC的初始电子受体是苯丙氨酸，而不是P $_{\rm D1}$，无论激发波长。
2021-07-23 physics.chem-ph
A quantum protective mechanism in photosynthesis
自从有氧光合作用出现以来，生命系统已经发展出针对活性氧的保护机制。在光合作用反应中心的电荷分离过程中，三重态可以与分子氧反应，产生破坏性的单线态氧。观察到细菌中的三重态产物产率被弱磁场降低。来自植物光系统II的反应中心与细菌反应中心有许多共同的特征，包括一个功能仍然不清楚的高自旋铁。为了解释观测到的磁场效应被铁降低，我们提出铁的快速弛豫自旋通过产生有效的磁场在光合作用中起着保护作用。我们考虑一个简单的系统模型，推导出有效磁场的解析表达式，并分析由此产生的三重态产率降低。保护机制是强大的现实参数范围内，构成了一个明确的例子，量子效应发挥宏观作用至关重要的生命。
2016-02-04 physics.chem-ph quant-ph
A multi-pathway model for Photosynthetic reaction center
捕光复合物中的电荷分离发生在植物和细菌的光合反应中心中心的一对紧密耦合的叶绿素中。最近已经表明，量子相干性原则上可以提高太阳能电池的效率，其工作方式类似于量子热机（QHE）。本文提出了一种以光系统{ \rm II}反应中心（PS{ \rm II} RC）为动力的生物量子热机（BQHE）来描述电荷分离.我们的模型主要考虑两个电荷分离途径比在已发表的文献。这两个途径可以通过交叉偶联进行干扰，并共同作用以提高电荷分离产率。我们探讨了这些交叉耦合如何增加电荷分离的电流和电压，并讨论了电流和功率方面的多个途径的优势。BQHE对天然PS{ \rm II} RC中的电荷复合和环境诱导的失相的鲁棒性也进行了探索，并从两个途径扩展到多个途径。这些结果表明，具有用于电荷分离的工程化多个途径的模仿自然的架构可能更适合于人造太阳能设备。
2015-06-29 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Quantum Jump Approach for Photosynthetic Energy Transfer with Chemical Reaction and Fluorescence Loss
Beijing Normal University（北京师范大学）
本文提出基于CMRT的量子跃迁方法，用于更准确高效地模拟光合作用中化学反应与荧光损失的能量传递过程。
2025-11-21 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Ergotropy of a Photosynthetic Reaction Center
本文通过量子主方程和Redfield/Förster方法计算光系统II反应中心的ergotropy，发现涉及ChlD1-PheD1电荷分离的路径具有更高功提取能力，揭示了生物系统利用非平衡布居结构优化能量转换的量子热力学机制。
2025-07-05 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.chem-ph
Artificial photosynthetic reaction centers coupled to light-harvesting antennas
我们分析了一个人工光合系统中能量和电子转移的理论模型。光系统由分子三联体（即，具有供体、光敏单元和受体）与四个辅助光捕获天线色素偶联。激发能从天线转移到人工反应中心（分子三元组）在这里由Förster机制描述。我们考虑两种不同的安排的辅助捕光色素周围的反应中心。第一种布置允许从所有周围的颜料直接激发转移到反应中心。第二种构型通过级联机制沿着捕光发色团链传输能量，其中只有一个发色团连接到反应中心。乍一看，似乎所有天线都直接耦合到光敏中心的星形配置会更有效。然而，我们表明，人工光合系统使用级联能量转移吸收光子在更宽的波长范围内，并将其能量转化为电力，具有更高的效率比系统的基础上直接耦合之间的所有天线发色团和反应中心。
2010-10-11 physics.bio-ph physics.chem-ph
Quantifying Confidence in DFT Predicted Surface Pourbaix Diagrams and Associated Reaction Pathways for Chlorine Evolution
密度泛函理论计算可用于识别主要反应机理。然而，占主导地位的反应机制是敏感的交换相关功能的选择。在这里，我们演示使用的例子的情况下，氯析出反应的金红石氧化物，这可以通过至少三个反应机制，每个介导的不同的表面中间体和活性位点。我们利用贝叶斯误差估计能力内的BEEF-vdW交换相关（XC）功能量化的不确定性与预测的操作反应机制，通过系统地传播的不确定性源于DFT计算的吸附自由能。我们构建表面Pourbaix图的基础上计算的吸附自由能的金红石氧化物的Ru，Ir，Ti，Pt，V，Sn和Rh。我们利用置信度值（c值）来确定预测的表面相图的置信度。利用中间体的吸附能之间的标度关系，我们构建了一个广义的Pourbaix图，显示了稳定的表面组成作为潜在的功能和cus网站上的氧结合能。这是用来一贯确定火山活动的关系。我们将不确定性的线性标度关系，量化的信心，广义Pourbaix图和相关的活动。这使我们能够计算作为$ΔE_{O^c}$的函数的期望限制势，这提供了一个更合适的活动措施，包括DFT的不确定性。我们表明，在分类问题的活性反应机制识别的信心是远远优于确定催化活性的预测问题。
2018-04-08 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Quantum Monte Carlo Investigation of the H-transfer Reaction of Criegee Intermediate CH3CHOO: A Benchmark Calculation
我们进行固定节点扩散蒙特卡罗（FN DMC）计算，以确定势垒高度和反应能的一个关键反应，氢转移反应从syn-CH 3CHOO乙烯基过氧化氢。FN DMC势垒高度为16.60+/-0.35千卡/摩尔，与实验值在十分之几千卡以内吻合，证明了FN DMC方法用于预测Criegee中间体快速单分子反应势垒高度的可靠性。通过比较CCSD（t）、G3（MCG 3）、DFT和MP2模型的预测结果与实验结果，发现CCSD（t）模型的势垒高度与FN DMC模型的势垒高度在统计误差范围内一致，并且与实验和FN DMC模型的预测结果的一致性要比G3（MCG 3）模型的结果更好。从相对更经济的DFT方法预测的势垒高度在FN DMC预测的几十千卡内。MP2方法严重低估了势垒高度。FN DMC预测的反应能量为-17.25+/-0.31 kcal/mol，设定了后Hartree-Fock方法预测的反应能的上限和DFT反应能的下限。我们提供FN DMC输入澄清的syn-CH 3CHOO的关键H-转移反应的能量不确定性。FN DMC势垒高度与实验测量值之间以及FN DMC与G3模型对反应能的预测值之间的定量接近为解决该反应中的能量不确定性提供了理论基础。
2021-06-22 physics.chem-ph
Observation of quantum capture in an ion-molecule reaction
1954年，Vogt和Wannier（Phys. Rev. 95，1190）预测，当碰撞能量接近零时，离子对可极化中性原子或分子的俘获率应该比经典朗之万俘获率增加两倍。这一预测尚未得到实验验证。H $_2^+$ + H $_2$反应非常适合观察这种效应，因为小的约化质量使得与s波散射相关的量子效应在比其他系统更高的碰撞能量下可观察到。此外，这种无势垒，强放热反应的反应速率遵循经典的朗之万捕获模型下降到冷碰撞条件（约$k_\mathrm{B} \cdot~1\,\mathrm{K}$），不受短程相互作用。在此温度以下，观察到H $_2^+$和基态邻位H $_2$（$J=1$）之间的电荷-四极相互作用导致的反应速率的强烈增强。在这里，我们提出了一个实验研究的反应H $_2^+$和对位H $_2$（$J=0$），它没有偶极子和四极矩，在碰撞能量低于$k_\mathrm{B}\cdot 1\,\mathrm{K}$。我们观察到的增强在最低的碰撞能量，这是由于量子增强预测Vogt和Wannier。HD $^+$与HD反应的测量支持这一结论。
2022-11-11 physics.atom-ph physics.chem-ph
Explaining reaction coordinates of alanine dipeptide isomerization obtained from deep neural networks using Explainable Artificial Intelligence (XAI)
在复杂的分子体系中，为了区分产物和反应物的过渡态，需要一种获得合适反应坐标的方法。最近，大量研究致力于使用深度学习文献中的人工神经网络获取反应坐标，其中输入层通常使用许多集体变量。然而，由于深度神经网络中非线性函数的复杂性，很难解释哪些集合变量对预测的反应坐标有贡献的细节。为了克服这一限制，我们使用了局部可解释模型不可知解释（LIME）的可解释人工智能（XAI）方法和称为Shapley加法解释（SHAP）的基于博弈论的框架。我们证明了XAI使我们能够获得每个集体变量对反应坐标的贡献程度，该反应坐标是通过对真空中丙氨酸二肽异构化的提交者进行深度学习的非线性回归确定的。特别是，石灰和SHAP提供了重要的功能，预测的反应坐标，其特征在于适当的二面角与先前报告的提交人测试分析一致。本研究提供了一个人工智能辅助的框架来解释适当的反应坐标，当自由度增加时，它具有相当大的意义。
2022-04-01 cond-mat.soft physics.chem-ph
Identifying the Catalytic Descriptor of Single-Atom Catalysts in Nitrate Reduction Reaction: An Interpretable Machine-Learning Method
Ningbo University（宁波大学）；Zhengzhou University（郑州大学）
本研究利用可解释机器学习方法，从286种BC₃基单原子催化剂中识别出硝酸盐还原反应的关键影响因素，构建了整合本征性质与中间体结构的描述符ψ，并筛选出16种性能优于已报道体系的低成本非贵金属催化剂。
2025-10-22 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Computing Reaction and Activation Energies of Pericyclic Reactions using a Symmetry-Adapted VQE Algorithm
Indian Institute of Technology Jodhpur（印度焦浦尔理工学院）
本研究采用SMF-VQE算法模拟含扩展π共轭的周环反应，将活性空间选择的组合空间简化，反应能误差小于1kcal/mol，活化能误差约5-6kcal/mol，为周环反应的量子模拟提供了有效方案。
2026-08-06 physics.chem-ph
Theoretical Exploration of the Diene-Transmissive Hetero-Diels-Alder Strategy Toward Boron-Functionalized Octahydroquinolines
本研究提出含硼亲二烯体的二烯传递杂Diels-Alder策略合成硼官能化八氢喹啉，通过理论计算验证可行性并揭示选择性调控规律。
2025-10-02 physics.chem-ph
Non-Markovian polymer reaction kinetics
描述聚合物反应的动力学，例如核酸或多肽中环和发夹的形成，由于其链的结构动力学而变得复杂。虽然这两个分子内反应，如环化，和分子间反应已被广泛研究，无论是实验和理论上，有到目前为止，没有确切的明确的分析处理运输限制聚合物反应动力学，即使在最简单的（劳斯）模型的情况下，单体连接线性弹簧。我们引入了一种新的分析方法来计算聚合物反应的平均反应时间，包括单体运动的非马尔可夫动力学。这就需要在反应的非常瞬间的聚合物的构象统计被确定，这提供了，作为一个副产品，新的信息上的反应pathway.We表明，聚合物的典型的反应构象比平衡构象，这导致反应时间显着短于现有的经典马尔可夫理论预测的更多的扩展。
2012-09-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
The logic of behavior of atoms
理解原子结构和原子间相互作用的方式对理解化学是至关重要的。本文应用博弈论的概念解释元素周期表中元素之间的反应。研究结果表明，原子与分子之间的配位与反配位、合作与非合作，都是通过博弈论的方式导致成键的。因此，任何化学反应的化学行为和物理过程都可以预测。每个批次的化学反应的多个示例被表达以支持我们声明的可用性。
2018-02-20 physics.atm-clus physics.chem-ph
