美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员利用“巅峰”超级计算机，对水与空气界面在化学反应中的动态作用进行了大规模、高精度的分子动力学模拟。这一研究揭示了水如何通过与反应分子的动态耦合来控制化学反应，为开发加速界面化学反应的方法提供了新视角。

研究团队聚焦于一种名为S _N 2的双分子亲核取代反应，这是化学、物理、生物和大气化学中常见的反应机制之一。例如，在药物合成中，S _N 2反应就扮演着重要角色，曾用于生产布洛芬。

ORNL化学分离小组负责人Vyacheslav Bryantsev表示：“我们的研究首次回答了‘空气-水界面在调节化学反应速率方面起着什么动态作用?’的问题。我们发现，与仅在主要环境水体中的反应相比，空气-水界面处的总反应速率更快。”

模拟结果显示，通过将相互作用的分子从水的本体环境中拉到更靠近水面的位置，可以加速水和空气之间的化学反应。这是因为减少了水与这些分子之间的动态耦合，使化学反应在更少的干扰下进行。

橡树岭国家实验室的科学家桑塔努·罗伊(Santanu Roy)进一步解释说：“水分子耦合越多，对反应的阻碍就越大。如果我们能够降低这种动态耦合，就能提高反应速率。我们的研究表明，通过改变界面环境，我们可以控制这种耦合，进而控制反应速率。”

研究团队利用开源CP2K代码，在Summit超级计算机上模拟了分子的反应轨迹，并对这些路径进行了动力学分析，形成了该过程的能量分布图。罗伊强调：“没有领先的计算能力，我们的理论就无法得到验证或研究。Summit超级计算机为我们提供了巨大的帮助。”

此外，研究还模拟了带正电荷的表面活性剂分子对带负电荷的氨基酸的吸引作用，证实了反应速率提高了10%至15%。这一发现进一步揭示了水在化学反应中的复杂作用机制。

更多信息： Nitesh Kumar 等人，《非平衡溶剂效应在增强空气-水相氨基酸界面直接捕获二氧化碳中的作用》，《美国化学会志》(2024 年)。期刊信息： 美国化学会志