厦门大学苏培峰教授团队在先前课题组开发的DM-EDA方法的基础上[Zhang et al., J. Chem. Phys. 160, 174101 (2024)]，开发了DM-EDA(EB)的新型能量分解分析（EDA）方法。该方法通过结合密度泛函理论（DFT）与扩展紧束缚（xTB）方法所发展的DFT-in-xTB嵌入策略，实现了对包含数千原子的大分子体系（如蛋白质-配体复合物、氢键有机框架及溶剂化体系）分子间相互作用的高效高精度定量解析。研究不仅突破了传统EDA方法在计算效率与体系规模上的限制，还通过灵活的“短程-长程”分区策略，实现了局域体系分子相互作用计算与分析。该工作由博士生熊学韦完成，发表于J. Chem. Phys. 162, 124103 (2025)

发展必要性

在理论化学领域，大分子体系（如蛋白质-配体复合物、氢键有机框架等）的分子间相互作用定量分析长期面临挑战。传统能量分解分析（EDA）方法多基于高精度量子化学计算（如KS-DFT），但计算复杂度随体系规模呈指数增长，难以应用于含数千原子的系统。现有多尺度方法（如QM/MM）虽能提升效率，但依赖力场参数，且很多力场参数无法用于特定体系，难以精确描述环境与分子电子密度弛豫对相互作用的影响。 

方法实现

厦门大学苏培峰教授团队提出DM-EDA(EB) 方法，首次将密度矩阵能量分解分析（DM-EDA）与DFT-in-xTB量子嵌入策略相结合。细节如下： 

1. 发展DFT-in-xTB嵌入策略：将体系划分为短程（短距离作用区）和长程（长距离作用区），短程区采用高精度KS-DFT计算，长程区利用半经验GFN-xTB系列方法快速处理，显著降低计算成本。  

2. 基于密度划分的能量分解：总相互作用能分解为静电、交换排斥、极化、关联等物理意义明确的组分。每一项基于密度划分短程与长程，短程区贡献通过密度矩阵精确计算，长程区通过原子电荷与密度矩阵相结合的方式求解。  

3. 自洽优化：短程区与长程区的电子密度通过自洽场迭代耦合，精确考虑嵌入势场动态响应对分子相互作用的影响。  

图1. DM-EDA(EB)的分区策略

应用与结果

厦门大学苏培峰教授团队提出DM-EDA(EB) 方法，首次将密度矩阵能量分解分析（DM-EDA）与DFT-in-xTB量子嵌入策略相结合。细节如下： 

1. 发展DFT-in-xTB嵌入策略：将体系划分为短程（短距离作用区）和长程（长距离作用区），短程区采用高精度KS-DFT计算，长程区利用半经验GFN-xTB系列方法快速处理，显著降低计算成本。  

2. 基于密度划分的能量分解：总相互作用能分解为静电、交换排斥、极化、关联等物理意义明确的组分。每一项基于密度划分短程与长程，短程区贡献通过密度矩阵精确计算，长程区通过原子电荷与密度矩阵相结合的方式求解。  

3. 自洽优化：短程区与长程区的电子密度通过自洽场迭代耦合，精确考虑嵌入势场动态响应对分子相互作用的影响。  

论文信息

Energy decomposition analysis method with the DFT-in-xTB embedding strategy for intermolecular interactions in large systems

Xuewei Xiong ; Yueyang Zhang ; Wei Wu*; Peifeng Su*

DOI:10.1063/5.0258177