【卢嘉锡格物讲座】第1期

题 目：冰成核与生长的分子动力学模拟研究

报告人：张传彪　副教授

单 位：菏泽学院物理与电子工程学院

时 间：2026/11/1　09:30

地 点：综合楼二层235报告厅

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附简介：

摘要：冰成核与生长是水结冰过程中的关键微观环节，其机制研究对于理解水的相变行为及实现结冰调控具有重要意义。本报告将围绕冰成核与生长的分子动力学模拟研究，重点介绍临界冰核的稳定化及纳米颗粒对冰生长的调控机制。在冰成核方面，介绍一种基于纳米孔几何限域的研究方法，通过调控冰–水界面的曲率，实现临界尺寸冰核的可控形成与稳定维持，为研究低过冷度下的冰成核热力学与动力学提供新的途径。在冰生长方面，重点探讨纳米颗粒亲水性对冰生长行为的影响，揭示颗粒表面水合层的形成如何改变冰界面的有效生长空间，进而调控颗粒被冰前沿推移或吞没的行为。同时，分析冰生长速率随颗粒亲水性变化呈现非单调变化的微观机制，阐明颗粒与冰之间吸附作用的增强和实际接触面积的减小之间的竞争关系。相关研究从界面几何约束和微观水合结构两个角度，加深了对冰成核与生长机制的理解，并为抗结冰材料的设计提供理论参考。

 个人简介：张传彪，菏泽学院物理与电子工程学院副教授、副院长，博士毕业于中国科学院大学。曾入选中国科学院理论物理研究所“彭桓武青年访问学者”、中国科学院化学研究所高级访问学者。主要从事水结冰微观机制、冰成核与生长及界面水物理研究，致力于通过分子动力学模拟揭示冰水界面的微观结构、动力学行为及其对冰成核与生长过程的调控机制。以第一作者在 Journal of Chemical Theory and Computation、The Journal of Physical Chemistry B、The Journal of Physical Chemistry C、Physical Review E、Science China Physics, Mechanics & Astronomy 等期刊发表论文；以共同第一作者在 Nature Synthesis、Angewandte Chemie International Edition、Nano Letters等期刊发表论文。主持国家自然科学基金青年项目、山东省青创科技团队项目、山东省自然科学基金面上项目等科研项目。

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【卢嘉锡格物讲座】第2期

题 目：水结冰原子机制研究

报告人：吴凯　特别研究助理

单 位：中国科学院大学物理科学学院

时 间：2026/11/1　10:30

地 点：综合楼二层235报告厅

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附简介：

摘要：过冷水的结晶是一个广泛存在的物理过程，在大气科学、低温生物学和材料科学等领域具有重要意义，但其模拟研究始终面临巨大挑战。采用原子级模型（包括深度学习势函数）的标准分子动力学模拟，即使在深度过冷条件下，通常也难以观察到自发结晶过程，而实验结果表明，在这些条件下，结晶本应能够在分子动力学模拟可及的时间尺度内发生。粗粒化模拟和增强采样方法进一步表明，水中特有的原子间相互作用是其显著微观结构异质性和宏观反常性质的根源，并会对结晶过程产生微妙影响。然而，通过直接、无偏的模拟观测，人们对这些影响的认识仍然十分有限。在本报告中，我们对广泛使用的全原子水模型引入了一项幅度虽小但至关重要的修正，使得在保留水的结构及物理性质的同时，能够通过直接、无偏的分子动力学模拟再现实验测得的结晶动力学。我们揭示，低密度液态水与高密度液态水之间的结构异质性在冰的成核过程中起主导作用：冰晶胚胎优先形成于由热涨落产生的富含LDL的纳米尺度区域中；随着冰核不断生长，在其尺寸超过临界成核尺寸之前，冰核始终被富含LDL的液态层包裹。这些围绕冰核形成的有序液态壳层能够有效降低冰–液界面自由能，从而减小临界晶核尺寸并降低成核自由能势垒。因此，在广泛的温度和压力范围内，包括接近液–液临界区域的条件下，与忽略液体结构异质性的经典成核路径相比，这一非经典成核路径能够使成核速率提高2–3个数量级。该报告将此前相对独立的水的液–液转变与液–固转变纳入统一的物理图景，并有望广泛应用于需要原子级精细描述的水溶液体系结晶模拟研究。 

个人简介：吴凯，中国科学院大学特别研究助理。先后于2015年和2021年在西南交通大学和浙江大学获学士和博士学位，师从修鹏教授。随后于国科温州研究院从事博士后研究工作，合作导师为周昕和陈虎教授。2024年加入中国科学院大学。本人长期从事软物质与生物分子体系的建模与模拟研究，在水模型开发、冰成核识别及结冰动力学模拟等方面积累了较扎实的研究基础，主要研究方向还包括生物大分子多尺度模拟与构象搜索、淀粉样蛋白自组装及糖基化调控机制、手性无机纳米粒子及金纳米棒自组装机理等，相关研究成果以第一/通讯作者身份发表于 Science Advances、Advanced Materials、JCTC、JCP、Langmuir 等期刊，发表论文10篇，参与国家自然科学基金先导B、重大项目、面上项目等。

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【卢嘉锡格物讲座】第3期

题 目：DNA聚合酶校对保真度-能耗的最优权衡

报告人：李秋实　副研究员

单 位：国科温州研究院

时 间：2026/11/1　11:30

地 点：综合楼二层235报告厅

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附简介：

摘要：DNA聚合酶是DNA复制的关键分子机器，通过外切校对提高复制保真度，但切除正确核苷酸也会带来额外的能量消耗。聚合酶如何在保真度提升与校对代价之间实现最优权衡，以及这种最优状态能否适应模板序列和底物浓度的变化，是理解生物分子机器功能优化的重要问题。本报告围绕这一问题，介绍结合理论建模与高分辨率单分子实验的研究工作。我们建立了描述聚合酶合成与切除动力学的梯子模型，将长程错配感知及连续与非连续切除模式纳入统一框架，并利用首达过程分析构建保真度与代价的定量关系。通过定义校对效率这一目标函数，发现调节外切端的关键动力学参数可以实现最优权衡，且当错配感知范围较长时，最优点对合成端参数的大幅波动具有较强鲁棒性。对大肠杆菌DNA聚合酶Klenow片段和T7噬菌体DNA聚合酶gp5的单分子FRET测量显示，实验获得的关键参数与理论预测相符。这些结果提示，合成与校对功能域的空间分离可能使聚合酶通过调节相对稳定的外切端参数，在变化的环境中维持鲁棒的最优权衡，为理解生物分子机器的结构与功能关系提供了新的视角。在本次报告中，还将简短介绍关于利用深度学习算法在无任何硬件改造的普通宽场显微镜上实现轴向超分辨的最新工作。 

个人简介：李秋实，国科温州研究院副研究员。2022年于中国科学院大学获理学博士学位，师从黎明教授。随后在国科温州研究院开展显微成像AI算法的博士后研究，2025年起任国科温州研究院周昕教授课题组副研究员。主要研究兴趣包括DNA/RNA聚合酶的复制与转录保真度、外切校对及其功能优化，与显微成像AI增强算法。以第一或共同第一作者在Science China Physics, Mechanics & Astronomy、ACS Photonics、Physical Review E等期刊发表研究成果。