1. 微纳马达的流体动力学模拟
微纳马达（micro-/nanomotor/microswimmer）隶属于活性物质，这些微米、纳米尺度的泳体，通过将能量转化为机械能（比如体内代谢、催化反应等）来实现在液体环境中的泳动。典型的代表如大肠杆菌、团藻等；同时也包括一些人工合成的马达，比如Janus纳米颗粒、螺旋马达等。了解这些泳体的运动，在生命健康领域具有重要意义：一方面能够促进相关疾病的防治，如治疗由大肠杆菌引起的肠道感染、改善精子的运动活性并提高受精率等；另一方面有助于指导合成人工微纳机器人（micro-/nanorobot），它们可以被用来在人体内进行靶向药物运输或血管清淤等。然而，微纳马达所处的环境通常比较复杂，除了其本身，还常常会有多糖、蛋白质、DNA等复杂环境分子，从而对准确研究这类系统提出了重大挑战。针对这些挑战，本课题组采用多粒子碰撞动力学（multiparticle collision dynamics）和格子玻尔兹曼法（Lattice Boltzmann method）对多个微纳马达复杂系统进行了流体动力学模拟。比如，我们研究了单个自驱动颗粒squirmer在粘弹性溶液中的转动增强行为；大量类大肠杆菌马达在狭缝中的集群行为以及他们形成的活性湍流；少量squirmer在伯肃叶流中的流变性等。
参考文献：
1. K. Qi, E. Westphal, G. Gompper, and R. G. Winkler, Emergence of active turbulence in microswimmer suspensions due to active hydrodynamic stress and volume exclusion, Commun. Phys. 5, 49 (2022).
2. K. Qi, E. Westphal, G. Gompper, and R. G. Winkler, Enhanced Rotational Motion of Spherical Squirmer in Polymer Solutions, Phys. Rev. Lett. 124, 068001 (2020).
3. K. Qi, H. Annepu, G. Gompper, and R. G. Winkler, Rheotaxis of spheroidal squirmers in microchannel flow: interplay of shape, hydrodynamics, active stress, and thermal fluctuations, Phys. Rev. Research 2, 033275 (2020).
4. M. Theers, E. Westphal, K. Qi, R. G. Winkler, and G. Gompper, Clustering of microswimmers: Interplay of shape and hydrodynamics, Soft Matter 14, 8590-8603 (2018).
2. 生物大分子、细胞膜研究
综合使用密度泛函理论计算、分子动力学模拟和动力学建模的方法、计算多血红素蛋白质多电子通量和电子转移速率。使用中尺度的粗粒化分子动力学模拟手段研究ESCRT-III蛋白介导生物膜内陷、细胞分裂、囊泡出芽等细胞活动的物理规律；综合使用中尺度及原子尺度的分子动力学模拟来研究双极性脂单分子层和普通脂双分子层不同的结构和力学性质。
参考文献：
详见：https://www.x-mol.com/groups/Qi_Kai/people/70030
3. 介观平衡态系统的相变研究
宏观系统的相变是我们生活中随处可见的现象，比如水的凝固或是磁铁的退磁。另一方面，介观系统（蛋白质、核酸等）的伪相变也逐渐成为关注的焦点，因为它们结构的变化常常和人类生命健康息息相关，比如蛋白质结构的变化会引起阿尔兹海默症等退行性疾病，病毒遗传物质结构的转变会影响其传染行为等。在这一领域，本课题组采用蒙特卡罗模拟和统计物理的相变分析对多个介观系统进行了相变研究。比如，我们开发了适用于介观系统的相变分析方法——微正则拐点分析法，它类比于埃伦费斯特分类法，可以通过微正则熵及其导数的拐点来唯一辨别系统任意一级的相变；研究了高分子聚合物在基底上的吸附行为，并用微正则拐点分析法甄辨出1～4级的相变，从而揭示了聚合物吸附的具体过程；揭示了聚合物随温度下降而冷凝的过程，即首先通过一/二级相变形成凝结核，再通过三级相变形成壳；提出可以用观测量的自相关函数来标记系统相变等。
参考文献：
1. K. Qi, B. Liewehr, T. Koci, B. Pattanasiri, M. J. Williams, and M. Bachmann, Influence of bonded interactions on structural phases of flexible polymers, J. Chem. Phys. 150, 054904(1-11) (2019).
2. K. Qi and M. Bachmann, Classification of Phase Transitions by Microcanonical Inflection-Point Analysis, Phys. Rev. Lett. 120, 180601(1-5) (2018). (PRL Editors’ Suggestion, April 30th, 2018)
3. T. Koci, K. Qi, and M. Bachmann, The Impact of Bonded Interactions on the Ground-State Geometries of a Small Flexible Polymer, J. Phys.: Conf. Ser. 759, 012013(1-7) (2016).
4. K. Qi and M. Bachmann, Autocorrelation Study of the θ Transition for a Coarse-Grained Polymer Model, J. Chem. Phys. 141, 074101(1-9) (2014).
4. 石墨烯等二维材料的制备与应用
石墨烯凭借其优异的性质成为近年来的明星材料，如极高的导电、导热性，最为轻薄但又极其坚硬等。然而，单层的石墨烯在自然界中很难单独存在，它们往往通过范德华力耦合在一起，从而堆叠形成多层的石墨。因此，如何大批量地制备无缺陷的石墨烯便成为当今的研究热点。针对这一难点，本课题组从近年来流行的液相剥离法着手，建立了混合尺度的石墨烯-流体模型，并利用剪切流剥离石墨制得单层石墨烯。在此模型中，纳米、微米尺度的石墨烯由粗粒化模型来代替，水环境由介观尺度的玻尔兹曼格点法来实现。相对于全原子模拟，这种粗粒化的方法极大的提高了计算效率，使得模拟的石墨烯能达到0.1微米，与实验所用材料大小相近。另外，课题组和实验合作开展石墨烯量子点的应用研究，比如利用全原子分子动力学模拟方法，深入探究量子点对生物大分子结构稳定性的影响，从而为石墨烯疾病诊断探针的开发提供理论和实验支持；再如，通过含时密度泛函计算，揭示了多种官能团量子点脱氢的微观机制，阐明了量子点溶液在光照下呈现超强酸性的微观机理。
参考文献：
1. Yongqiang Li, Siwei Yang, Wancheng Bao, Quan Tao, Xiuyun Jiang, Jipeng Li, Peng He, Gang Wang, Kai Qi*, Hui Dong, Guqiao Ding, Xiaoming Xie, Accelerated proton dissociation in an excited state induces superacidic microenvironments around graphene quantum dots, Nat. Commun. 15, 6634 (2024).
2. Y. Quan, P. He, J. Chen, N. Guo, Y. Li, H. Zheng, J. Zhang, X. Ren, Y. Zhang, W. Bao, K. Qi*, G. Ding, Multi-layer shearing induced high orientation of graphene oxide sheets towards high-performance macrostructures, Carbon 226, 119179 (2024).
5. 人工智能技术与软物质体系的结合 (AI for soft matter)
利用深度强化学习算法，开展微纳机器人的靶向药物运输，通过改变自身游动方式，实现药物在人体流体环境中的高效靶向运输；利用卷积神经网络方法，实现打孔蛋白的智能化特异性识别。
智能微纳机器人的靶向药物运输
打孔蛋白的智能化特异性识别
6. 材料基因
利用高通量计算构建多种信息功能材料的材料基因库，结合人工智能技术实现材料性能的改善。
7. 功能团簇
利用第一性原理计算和分子动力学模拟，开发多种功能性团簇，模拟团簇生长过程，拓展团簇在多种领域中的应用。