电解液界面系统的统计物理研究

The statistical properties of electrolyte interfacial systems is not only a challenging problem in theoretical physics, but also has important applications in condensed matter physics, soft matter physics, as well as biological physics. Therefore, study of these systems remains an outstanding research field. In the past decades, there have been many experimental and numerical studies that show anomalous phenomena in electrolytes, such as like-charge attraction and charge inversion, and various kind of ion-specific effects. In order to understand these phenomena, we must study the statistical correlations between ions, as well as the interactions between charges and dielectric interfaces. Based on past research in this field, we propose to use powerful analytic and numerical methods that we have developed in the past to explore several statistical mechanical problems related to various electrolyte interfacial systems, as well as their applications in colloidal physics, polyelectrolyte physics, and biological physics.

电解液界面系统的统计物理不但是理论物理中非常有挑战性的难题，也在凝聚态物理、软物质科学、生物物理等领域中有重要的应用。因此，对电解液界面系统的统计物理的研究，及其在上述相关等领域中的应用，一直是一个非常引人注目的研究领域。最近几十年国际上大量的实验和数值模拟研究发现了同电吸引、电荷反转、特殊离子效应等奇异现象。为了正确理解这些现象，我们必须理解电荷之间的关联效应，以及电荷与电介质界面的相互作用等等。在本项目中，负责人计划在过去此领域的研究基础上，利用我们自己开发的解析和数值方法，研究几个与电解液界面系统相关的统计物理问题，以及它们在胶体、聚电解质、生物物理等领域的一些应用。

此项目原来计划研究电解液界面系统的统计物理及其应用。在实际执行过程中，我们的研究方向有较大的演化和拓展。在过去的四年中，我们的研究工作涵盖了电解液统计物理，蛋白质非平衡动力学，以及经典和量子非平衡态统计物理的一些基本问题。在上述各方面均取得了进展，共发表、投稿论文10篇（包括预印本）。我们主要的工作有：（1）发展了一种电解液的GPU并行算法，此算法大大提高了库伦多体系统的模拟能力，可以用来精确计算高浓度电解液中的电荷重整化现象；（2）研究了蛋白质表面水分子的非平衡动力学；发现了新的反常扩散现象，并阐明了其多体物理的机制；（3）证明了乘性噪声非线性朗之万动力学以及细致平衡条件的协变性，从而为非平衡态统计过程的研究建立了一个严格的理论框架；（4）在一些非平衡态统计物理的理论问题上作出了突破。