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中国学科发展战略丨理论与计算化学学科研究前沿 精选

已有 3174 次阅读 2018-1-17 10:56 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述

人类发现物质化学变化导致性质变化可以利用,便开始研究化学变化,早期主要依靠实验探索,是独立于数学和物理学而发展起来的。化学家从依靠直接的观察、总结经验开始,逐步将积累的知识系统化,建立起初步的理论。在此基础上吸纳物理和数学理论成果形成理论与计算化学。


目前理论与计算化学学科存在量子化学、化学动力学、统计力学及化学信息学四个主要发展方向。量子化学运用量子力学原理,研究化学体系的状态———原子核空间构型和电子结构,以及体系状态随时间变化的过程,阐明体系性质及其变化规律的微观本质;化学动力学理论研究化学变化过程中体系在不同微观状态之间的布居与跃迁,揭示化学变化的动态细节特征;统计力学理论研究具有极多变量体系的性质与运动规律,阐明化学体系的微观状态与宏观性质之间的联系;化学信息学则通过获取大量实验数据,并对数据进行整理、分析、归纳,提炼出实验数据蕴含的有用信息及其规律性。


从学科发展的趋势上看,理论与计算化学的几个传统方向之间的联系正日趋紧密。一方面,为了与实验观测直接比较,动力学理论中的关键参数需要由量子化学计算提供,如分子势能面、量子态之间的耦合强度等,甚至越过 Born-Oppenheimer 近似,直接求解包含体系原子核和电子坐标变量的含时量子力学方程;另一方面,随着化学理论研究对象越来越复杂,特别是对生物体系的相关研究,需要吸收信息科学研究成果,充分结合统计力学理论、化学信息学,以及运用新兴的大数据处理与机器学习方法,以有效发掘大量实验与计算数据中的内在规律。通过相关理论的交叉融合,理论与计算化学将逐渐形成基于量子力学理论的方法和基于统计力学理论的方法两大分支。


研究内容包括发展基础理论与相关的计算方法和计算软件,以及将理论与计算方法用于研究化学和其他有关领域中的问题。


一、 学科整体的重要研究前沿与关键科学问题


理论与计算化学包含发展理论与计算方法的基础性研究和研究具体科学问题的应用性研究两大方向。


在理论与计算化学基础性研究中,根据学科整体发展趋势和面临的挑战性难题,关键科学问题聚焦在以下七个方面。


(1)描述电子运动的相关作用,发展精确、高效稳健的描述大体系和强相关体系中电子相关的理论方法。

(2)化学反应机理与激发态演化动态学,包括热化学反应,特别是催化反应机理,光化学反应机理,以及与激发态随时间演化的诸多过程。

(3)非平衡态到平衡态的演化,包括一般性规律和微观演化过程。

(4)体系与环境的耦合,如溶剂对化学过程的影响,环境对材料物理性能的影响等。

(5)复杂体系多尺度模拟方法,涉及合理力场的构建、超大体系和/或超长时间的动力学模拟方法。

(6)异相成核与生长动力学,包括纯化合物体系和复杂的溶液、熔盐体系中的成核和成长过程。

(7)化学体系研究中的大数据技术,包括电子结构和凝固相对原子空间排列计算中甚大参数空间的优化等问题。


理论与计算化学发挥推动化学及其相关科学发展的作用,是通过应用理论计算方法研究各学科中具体问题实现的,因此必须强调应用理论与计算方法研究具体科学问题的重要性。但理论与计算方法可以研究的问题范围很宽,各学科领域重要科学问题种类繁多,而且在基础研究中的突破性进展经常是出人意料的,因此难以预测理论与计算化学在应用性研究方面的重点发展方向。我们只能强调理论与计算化学研究必须时刻注视有关学科发展前沿,选择具体研究对象和重要科学问题,与实验研究紧密配合互动开展工作,针对问题的特殊性发展理论和计算方法,提出新理论模型、新概念,揭示未知自然规律;同时要重视以物理学基本原理为依据,为实验研究预测发展新方向和新领域。具体研究方向显然是要随着化学与相关学科的发展而不断变化的。


理论与计算化学涵盖的范围很广,不同分支学科发展前沿情况不同,发展趋势有别,关键科学问题和解决问题的可能途径均差别相当大。为进一步将上述关键科学问题和重要研究前沿阐述清楚,需要对理论与计算化学的各分支学科分别进行论述。


从发展历史和现状看,理论与计算化学包含五个方面,可以用以下五个专题概括:


(1)电子结构理论与计算方法;

(2)化学中的统计力学;

(3)微观反应机理和反应动态学;

(4)材料科学中的问题;

(5)生命科学与药物化学中的问题。


其中第一和第二专题为基础理论,第三、第四、第五专题为基础理论和计算方法在当前化学研究工作集中领域的应用。我们在每个专题中设立若干个主题,围绕专题涵盖的科学问题展开发展战略研究。各主题总结其发展历史和现状,展望发展前景,提出关键科学问题及可能的解决途径。


二、各分支学科核心科学问题与研究前沿


下面对五个专题中的核心科学问题和重要研究前沿作简要介绍。核心科学问题指专题内各主题的共性关键科学问题,其研究的突破性进展将有助于各主题的研究水平踏上新台阶。


(一)电子结构理论与计算方法


1. 核心科学问题


电子相关作用的高效率处理方法,特别是针对静态—动态相关共存体系的方法;计算结果误差的可靠估计方法。


2. 重要研究前沿


(1)近简并基态和激发态电子结构的计算方法。强关联体系、长程电子相关和自旋相关问题。

(2)进一步发展相对成熟的方法,如CI、CC、VB、MBPT、DFT 等,特别是继续发展应用很广的DFT方法(寻找更好的近似密度泛函,特别是处理非动态相关的泛函;激发态与开放体系处理方法)。

(3)发展渐趋成熟的方法,如QMC、RQC、GF、GW、DMRG、DM等,特别是发展计算结果能作为可靠独立判据的QMC方法,以及正在发展中的RQC方法。

(4)发展精度可控的大体系全局高精度计算方法以及考虑到环境对体系的一般性影响和特殊相互作用的局部高精度计算方法。


(二)化学中的统计力学


1. 核心科学问题


非平衡统计理论;高效分子模拟方法;获取体系宏观信息。


2. 重要研究前沿


(1)统计力学基础理论:从动力学过程到统计平衡的基础理论探讨。发展研究实际过程的有效耗散理论和计算手段。

(2)非平衡态演化过程的动力学与统计力学研究。克服分子动力学模拟中体系的时间、空间多尺度性带来的困难。在精度可控的多尺度理论方法和大数据分析等方面的协同发展。

(3)凝聚相统计力学和动力学研究,非平衡量子动力学,多体化学与物理过程的量子效应。生命体系和软物质、材料体系中的非平衡动力学性质。凝聚相化学过程中环境与主系统的统计性耦合。

(4)统计力学方法在材料研究、表面吸附和化学反应等研究中涉及结构优化、构象取样等问题的应用。


(三)微观反应机理和反应动态学


1. 核心科学问题


非绝热过程、环境效应、催化反应机理与催化剂设计;激发态计算,在势能面突变或者交叉区域非绝热跃迁过程,超越B-O近似的计算,环境对化学动态过程影响。


2. 重要研究前沿


(1)常规化学反应机理与动态学:对化学基础问题有重要意义的光化学与热化学典型反应,特别是重要的催化反应。

(2)准化学反应:弱相互作用与自组装机理,分子聚集体和纳米颗粒形成机理和动力学。  

(3)非常规条件下的反应:高温、高压、开放高速流动气相体系。

(4)分析总结实验与理论研究结果,归纳一般性规律、发展化学反应新概念和理论。


(四)材料科学中的问题


1. 核心科学问题


复杂体系的结构预测;材料功能的微观定量描述;系统状态的非平衡、非绝热演化。


2. 重要研究前沿


(1)复杂体系结构的确定———采用普适数学全局优化算法,注意借助数据挖掘、人工智能等信息处理技术利用已有结构信息。

(2)复杂体系的激发态演化动力学,非绝热演化过程,特别是量子系统的动力学过程(内转换、电子核运动耦合、光学发射、非绝热弛豫、量子耗散等)。

(3)发展动力学模拟方法,结合统计力学,自洽处理多尺度耦合,研究宏观时间尺度下材料的生长机理;包括固相形成动力学,特别是溶液中固相的形成机理。

(4)前瞻性创新研究,根据基本物理原理,提出新的概念,设计全新性能的材料。


(五)生命科学与药物化学问题


1. 核心科学问题


发展可靠的分子力场;宏观空间尺度和时间尺度的动力学模拟方法;模拟可靠性分析,阐明体系动态变化与观察到的生命现象的联系。


2. 重要研究前沿

(1)发展准确、高效分子力场,可靠模拟生物分子的动力学过程。

(2)结合经验型、知识型和分子力场的方法来可靠预测蛋白质和其他生物大分子的结构。

(3)发展结合自由能的可靠预测和计算方法,模拟生物大分子之间相互作用形成的复合结构;建立生物分子相互作用的网络模型以模拟生物过程,进而实施对整个细胞内生物过程的动力学模拟。

(4)研发系统性药物分子设计方法,阐明药物与靶点作用的机理。



本文摘编自国家自然科学基金委员会,中国科学院编《中国学科发展战略·理论与计算化学》总论,内容有删减。



中国学科发展战略·理论与计算化学

国家自然科学基金委员会,中国科学院编

责任编辑:朱萍萍 宁 倩

ISBN 9787030489197


中国学科发展战略·理论与计算化学》回顾了理论与计算化学发展的历程,揭示了学科交叉的重要性以及化学理论的发展对整个化学进步的巨大推动作用; 分析了国内外现状和发展趋势,展望了前景和面临的难题。提出了发展思路和战国家科学思想库略性措施,建议了促进学科发展的资助机制与政策。对学科涵盖的电子结构理论与计算方法、化学中的统计力学、微观反应机理和反应动态学、材料科学中的问题、 生命科学与药物化学中的问题五个专题中的关键科学问题和重要前沿研究方向进行了深入探索和讨论。


(本期编辑:安 静)


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