液固界面作为材料科学、凝聚态物理及化学工程中的关键研究对象，其微观结构、能量特性和动态演化在相变、晶体生长、腐蚀防护和催化等多个重要过程中的作用至关重要。
近年来，随着理论模拟技术的迅速进步，越来越多顶级期刊发表了融合分子动力学（MD）、密度泛函理论（DFT）与相场模型等多尺度计算方法的研究，为深入理解液固界面行为提供了强有力的理论支撑。
液固界面是材料科学、凝聚态物理和化学工程领域的核心研究主题之一，其动态行为、能量特性和微观结构对相变、晶体生长、腐蚀防护、催化反应等过程具有决定性影响。
近年来，随着理论计算方法的快速发展，顶刊中涌现了大量结合分子动力学（MD）、密度泛函理论（DFT）、相场模型等多尺度模拟的研究成果。
https://doi.org/10.1038/s41467-022-32984-9
案例一
该研究运用经典分子动力学模拟与第一性原理分子动力学模拟两种计算方法，探究 Zr – Ti 熔体的微观结构、动力学性质以及过冷能力。通过重新校准嵌入原子方法（EAM）势，结合实验数据（如密度、扩散系数等）进行模拟。
在研究过程中，计算了扩散系数、静态结构因子、对关联函数、配位数等参数，还构建液 – 晶界面确定熔点，测量过冷温度。
（https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2023.122348）
研究发现，优化后的 EAM 势能很好地再现实验数据，如液体密度、扩散系数等。Zr – Ti 熔体中存在化学偏析簇，倾向形成 Zr – Zr 和 Zr – Ti 近邻对，这既与局部密堆积结构形成有关，也体现了化学相互作用差异。
中间成分（cZr≈0.33 – 0.5）合金的过冷能力最强，此时晶体成核驱动力最小，冷却时更易从类晶结构转变为类二十面体结构，这与最高的玻璃形成能力相关。
案例二
该研究运用分子动力学（MD）模拟和元动力学（WT metadynamics）模拟两种计算方法，探究尿素晶体在添加剂存在下的生长机制及添加剂的作用。
通过MD模拟，构建含有尿素、添加剂和水的模拟体系，研究{001}和{110}晶面的生长动力学；利用WT metadynamics模拟计算尿素和添加剂在晶面上的吸附自由能。
（https://doi.org/10.1021/ja307408x ）
研究发现，{001}晶面遵循连续生长机制，其生长速率取决于尿素分子向表面的扩散速率；{110}晶面则通过“birth and spread”机制生长，速率决定步骤是表面二维晶核的形成。
添加剂方面，比脲对{001}晶面有较高的结构兼容性和吸附特异性，通过与尿素竞争表面位点抑制{001}晶面生长；丙酮与两个晶面的结构兼容性都低，对晶体生长影响可忽略。此外，还明确了影响添加剂抑制效果的关键因素，为设计控制晶体形状的添加剂提供了理论依据。
案例三
本文运用了基于密度泛函理论（DFT）的计算方法，结合专门设计的机器学习势（如MTP），对高熵合金TaVCrW的熔化性质展开研究。
在计算过程中，利用MTP替代传统的嵌入原子法（EAM）势，并以自由能微扰理论取代昂贵的热力学积分计算，从而提升计算效率。同时，通过对比不同方法（原始TOR – TILD方法、混合TOR – TILD方法和新提出的方法），系统地评估了新方法在计算效率和准确性方面的性能。
https://doi.org/10.1038/s41524-024-01464-7
研究结果表明，新方法在保持与其他方法相同精度的前提下，计算资源节省了约80%，显著提高了计算效率。通过该方法计算得到的TaVCrW熔化性质（如熔点、熔化熵、熔化焓和熔点处的体积变化）与CALPHAD外推值基本相符，但也存在一定差异。
这种差异可能源于CALPHAD数据库输入数据的局限性、DFT计算的统计和拟合误差、未考虑高温磁涨落以及短程有序对固相吉布斯自由能的影响等因素。此外，研究还发现电子激发及其与晶格振动的耦合对TaVCrW的熔点有显著影响。
案例四
研究人员综合运用界面特异性和频光谱（SFG）技术与分子动力学（MD）模拟两种计算方法，对丁香假单胞菌（P. syringae）诱导冰核形成的机制展开深入研究。
通过SFG光谱技术，在不同温度下对P. syringae与水接触的界面进行检测，获取界面水的振动光谱信息；借助MD模拟，从分子层面分析inaZ冰核位点与水的相互作用。此外，还设置了多种对照实验，使用了不同的对照物质，以排除其他因素干扰。
https://doi.org/10.1126/sciadv.1501630
研究发现，随着温度降低，P. syringae与水界面的SFG强度显著增加，这表明界面水的有序性明显增强，且主要源于强氢键结合水模式的增加。MD模拟显示，蛋白质亲水外层区域对低温下水的有序排列起主要作用，而苏氨酸（Thr）“梯子”基序并非像之前认为的那样主导水的有序化，其作用更像是疏水区域。
此外，P. syringae能高效转移界面水的振动能量，促进冰核形成。研究证实了P. syringae可有效使周围水分子有序排列并快速交换振动能量，这为生物冰核形成机制提供了新见解。
案例五
该文运用分子动力学（MD）模拟方法，以 NiAl 合金为模型开展研究。通过采用多体嵌入原子方法（EAM）势，借助开源软件 LAMMPS 在等压等温系综下进行模拟，运用键取向序参数来刻画结构，并开发了序抑制策略（OKS） 。
研究内容主要围绕过冷液体结晶过程中液体结构预有序的作用，包括晶体成核与生长的机制、不同结构序的影响等。
https://doi.org/10.1038/s41467-022-32241-z
研究发现，过冷金属液体呈现非经典结晶路径，晶体成核和生长由局部键取向序波动介导，而非密度波动。抑制过冷液体中类似晶体的结构序会大幅降低结晶速率，表明液体预有序和界面能降低在结晶过程中至关重要，这意味着经典晶体生长理论需要修正。
此外，研究还对不同体系进行分析，揭示了界面预有序和界面能在晶体生长动力学中的关键作用，为深入理解结晶机制及控制结晶和玻璃形成提供了新视角。