为突破复杂溶液体系动力学过程的理论模拟瓶颈，上海科技大学物质科学与技术学院孙兆茹课题组长期致力于开发兼具第一性原理精度和经典分子动力学效率的新型机器学习力场。近日，团队在溶液中碳酸解离与质子传输机制方面取得重要突破，通过深度势能分子动力学（Deep Potential Molecular Dynamics, DPMD）方法，首次发现碳酸（H2CO3）在水溶液中仅占12.4%的顺式-反式（CT）构象体贡献了溶液中58.1%的质子。该研究从氢键拓扑网络和电子结构两个角度阐明了CT构象具有较强质子提供能力的原因，并从量子力学层面揭示了溶液环境对分子构象动态平衡的调控机制，为生理pH调控、海洋酸化预测等应用提供了关键理论支撑。相关研究发表于国际学术期刊《科学进展》（Science Advances）。
碳酸作为生物体液和海洋环境中的核心质子缓冲剂，通过CC、CT、TT三种构象的动态平衡调控酸碱平衡。虽然以往研究对气相下顺式-顺式（CC）构象的稳定性优势已经达成共识，但对水溶液中构象的稳定性顺序仍长期存在争议。同时，科学界对于多元弱酸解离过程的微观机制仍然缺乏深入认识。孙兆茹课题组硕士生赵曰奇创新性地采用深度势能分子动力学方法模拟了碳酸在百纳秒尺度的解离过程，通过对比气相与液相的电子结构及氢键拓扑网络，取得了突破性发现。
氢键拓扑网络表征质子转移。尽管CC构象在溶液中占比达81.3%，但由于CT构象参与形成更多氢键环结构，具有更多的潜在质子转移路径，因而成为溶液中主要的质子供体，贡献了58.1%的质子。
电子不对称驱动解离。外界水环境对CT构象两个羟基氧的电子云分布呈现出显著的不对称性，其孤对电子与原子核距离比CC构象伸长0.12 Å，成键电子对与原子核距离比CC构象缩短0.12 Å ，亲水性增强导致羟基稳定性降低，解离事件概率增加。
图1：溶液中CC和CT构象的电子结构
质子传递路径偏好。CT构象解离的质子对于“归巢路径”的倾向性达82.95%，而CC构象质子选择该路径的比例仅为57.76%，这源于CT构象解离的HCO3−中去质子化氧原子与原羰基氧原子对于质子竞争能力的差异更大。
图2：碳酸溶液中的质子转移路径
本研究首次从氢键拓扑网络和电子结构两个角度揭示了碳酸分子中CT构象主导质子转移的微观机制，同时澄清了长期存在的争议——溶液中构象稳定性顺序。研究成果不仅为酶催化中的质子转移机制和生理环境中pH调控的动态建模提供了原子尺度理论框架，更为海洋酸化动力学建模提供了理论基石。
上海科技大学物质学院2022级硕士生赵曰奇为论文的第一作者， 物质学院2023届硕士毕业生田飞飞为第二作者，孙兆茹教授为唯一通讯作者，上海科技大学为唯一完成单位。相关计算依托上海科技大学图信中心高性能计算平台完成。
论文标题：Ab initio deep neural network simulations reveal that carbonic acid dissociation is dominated by minority cis-trans conformers
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