早期化学研究主要依靠实验探索，被看成是纯实验科学。20世纪前后到60年代，化学家运用物理理论处理化学问题，极大地推动了化学的发展。70年代以后，借助计算机能力的快速提高，理论与计算化学如虎添翼，迅速发展。2013年，诺贝尔化学奖颁奖通告中说“如今对化学家来说，电脑同试管一样重要”。从1954年到2014年，诺贝尔化学奖14次授予理论与计算化学，凸显出理论与计算化学研究在推动化学发展中的重要作用。当前化学正从纯实验科学转向依靠“实验、计算、理论”协同推动前进的科学，进入发展的新阶段。

理论与计算化学处于蓬勃发展时期，制订正确发展战略、建立合理资助机制和采取必要政策措施促进其发展，不但对加速我国这一学科本身的发展有重要作用，对推动化学整体以及材料科学、生命科学等相关学科的发展也有重要意义。

国家自然科学基金委员会中国科学院学科发展战略研究工作联合领导小组设立“理论与计算化学发展战略研究”项目，委托我主持。项目组由13人组成，根据理论与计算化学的内涵和发展现状，设五个专题，每个专题包含若干主题，邀请国内相关领域优秀中青年专家参加学科发展战略研究工作。

▲ 理论与计算化学发展战略研究”项目组

各专题在有关主题负责人认真调研文献的基础上举行了专题学术研讨会。除专题和主题负责人外，还邀请了项目组外的若干专家参加。电子结构理论与计算方法专题邀请向涛、马玉臣、任新国、文振翼、曹泽星、戴希、罗洪刚等；化学中的统计力学专题邀请周昕、徐莉梅、高靓辉等；微观反应机理和反应动态学专题邀请方亚辉；材料科学中的问题专题邀请张振宇、龚新高、郭万林等；生命科学与药物化学中的问题专题邀请肖奕、陈敏伯、季长鸽、朱通、李国辉、杨忠志、何晓等。各专题学术研讨会后，项目组进行全面总结。

为听取更多同行专家的意见，集思广益，项目组2014年6月在太原协助国家自然科学基金委员会化学科学部组织“理论与计算化学发展战略座谈会”，共三十多名出席第十二届全国量子化学学术会议的国内外专家参加了座谈会，包括胡培君、罗毅、林振阳、郑原忠、莫亦荣等专家。会上，十多人就理论与计算化学发展战略问题发表意见并提出具体建议。2014年8月，项目组和李灿科研组在大连联合举办“太阳能光催化实验理论研讨会”，讨论光催化反应领域理论计算和实验研究中的问题，探讨两者如何紧密配合互动。还请教过几位境外专家，如美国加州大学贝克莱分校William H．Miller等。

遵照中国科学院学部学术与出版工作委员会的规定，2014年11月，项目组协助举办以“理论与计算化学发展战略”为主题的“科学与技术前沿论坛”，安排15个专题报告，除项目组成员报告项目整体和各专题工作情况及研究进展外，还有其他学科的专家（周爱辉、周海军、戴希、罗毅、张振宇、刘利民、兰峥岗、王炜、王任小等）的专题报告，并邀请崔俊芝、陈难先、王崇愚、陈润生、陈凯先等院士到会指导。与会专家就我国理论与计算化学发展战略有关问题展开讨论，从不同视角提出意见和建议。

在上述工作基础上，项目组写出理论与计算化学发展战略研究报告（《中国学科发展战略·理论与计算化学》），分析学科发展历史和发展规律，评述学科现状和发展趋势，提出关键科学问题、发展思路和政策建议等。有83人参加撰写工作，详见各专题和主题的研究报告。参加过部分工作的还有鄂维南、胡浩、严以京、孙强、李隽、林小乔、刘海燕等。

项目任务是在国家自然科学基金委员会和中国科学院学部的领导下完成的，工作过程中得到众多专家的指导和帮助，谨表示衷心感谢。尽管项目组在工作过程中注意听取尽可能多专家的意见，多次开会研讨，力求将工作做得细致深入一些，但理论与计算化学是一门多学科交叉的学科，涵盖面很广，限于项目组成员的科学水平和分析能力，研究报告难免存在疏漏之处，恳请同行专家批评指正。

黎乐民

北京大学化学与分子工程学院

《中国学科发展战略·理论与计算化学》

摘  要

一、回顾理论与计算化学发展的历程，揭示学科交叉的重要性

早期化学研究主要依靠实验摸索和总结经验，被看成是纯实验科学。通过不断吸纳物理学和数学的理论成果，利用计算科学发展产出的强大计算能力，构建自身的理论体系，用于化学过程以及相关领域的研究中，逐步形成理论与计算化学。学科发展历程大致可分为四个阶段。第一阶段，以实验探索和总结实验事实为主，通过建立简单理论模型说明实验现象。第二阶段，吸纳物理学中热力学和统计力学的成果，建立化学热力学和化学统计力学。第三阶段，吸纳量子力学的成果，利用其概念和基本原理处理化学问题成果丰硕，极大推动了化学的发展。运用统计力学理论成果也有重要进展。第四阶段，吸纳计算机和计算数学成果，逐步向掌握化学变化定量规律的目标迈进；分子模拟逐渐成为研究复杂体系热力学和动力学性质的重要工具；化学信息学也有很大进展，成为发现有指定用途化学新物质的有效途径。

学科发展历程表明，理论与计算化学发展的推动力首先源于化学整体向前发展的要求，理论与实验研究伴生并行，相互促进。其次也源于理论与计算学科自身发展的需要，即发展高效率和有足够精度的理论和计算方法。学科交叉重叠起关键作用：化学家不断吸纳物理学理论成果以及应用数学与计算科学成果是学科形成的实质性过程，而将理论与计算化学方法用于化学其他分支以及材料科学、生命科学、药物学等领域的研究推动学科持续向前发展。

二、概述学科现状、分析发展趋势

化学进入发展的新阶段，逐步发展为依靠实验、计算、理论三方面协同工作推动的科学。理论和计算模拟方法在化学研究和相关领域中的应用日趋广泛。理论计算与实验工作紧密配合互动有效提高了研究效率。计算科学飞速进步使对真实复杂体系结构和运动过程的数学模拟成为可能。近年来理论与计算化学的进步主要表现在两个方面：研究对象从简化模型向真实复杂体系和过程逐步逼近；研究目标从对问题的定性分析走向追求定量结论。当前理论与计算化学的发展趋势与显现的特征是：理论分析与计算模型力求逼近复杂的真实化学体系和过程；研究重心从静态结构逐步转向动态过程，从简单基元过程扩展到多种过程耦合；阐明与生命现象相关的化学过程的计算模拟成为热点；强化对材料结构与功能关系的理论研究；对计算精度的要求进一步提高，建立新理论模型、发展高效率高精度的计算方法，成为学科本身的研究重点；重视发展能计算巨大体系和模拟复杂体系变化过程的方法；理论与计算方法在化学及相关研究中被广泛应用，与实验研究紧密配合互动逐步成为研究工作的常态；理论与计算研究正在逐步进入产业部门。

三、展望学科前景，指出面临的难题

学科发展新阶段——跃上新台阶的标志：在质的方面表现为科学水平的提高。理论与计算方法将具备处理更复杂实际体系和过程的能力，对计算结果的误差有可靠估计，对实验结果的解释更可靠，指导实验探索的作用更强。在量的方面表现为发挥作用范围扩大，研究人员采用实验与理论计算紧密配合互动的工作方式将成为常态。

目前存在的主要问题：研究结论没有足够的可靠性，计算结果通常不能作为独立的科学论据，只能作为佐证或者旁证。对于复杂体系的研究，结果与实验不一致时，无法判断是物理模型有缺陷还是数学计算的误差。计算方面的基本困难：量子化学计算的基本矛盾是计算量和精度难于兼顾，研究化学过程对计算精度要求很高，高精度理论研究的计算量非常大；简化计算模型和／或作计算近似，得出的结论可靠性没有保证。运用统计力学理论面临两大困难：可靠的分子力场很难获得，超大尺度的空间和时间模拟计算量极大，现有计算机难以胜任。发展高效率、高精度、低计算量、误差可控（或可估计）的理论与计算方法是理论和计算化学的核心攻坚任务。

四、概述学科关键科学问题和学科重要研究前沿

在理论与计算化学基础性研究方面，提出学科整体向前发展亟需解决的七个关键科学问题。在实际体系的理论计算研究方面，强调重视有关学科发展前沿，与实验研究紧密配合互动开展工作；同时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。

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、生命科学和药物化学中的问题五个专题中各个主题的关键科学问题和重要前沿研究方向，在全书各章分别进行阐述和深入讨论。

五、提出发展思路，建议采取相应战略性措施

强化理论与计算化学与数学、物理、材料、生命、计算科学、信息科学等领域的交叉合作；强化理论和实验研究的紧密结合，特别是两者的直接配合互动；加强队伍建设，要从国外引进高端人才，更要立足国内培养；推广理论与计算方法在化学及相关研究中的有效运用，在普及的基础上提高。

六、提出促进学科发展的资助机制与政策的八项具体建议

鉴于目前没有一个公共计算化学软件平台严重影响我国理论与计算化学发展速度，项目组提出《关于建立“计算化学软件平台专项”的建议》。

本文由刘四旦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》一书黎乐民院士所撰“前言”，“摘要”，标题为编者所加。

ISBN：978-7-03-048919-7

"中国学科发展战略"丛书以中国科学院学部开展的"中国科学院学部学科发展战略研究项目"的研究成果为基础，由以院士为主体、众多专家参与的学科发展战略研究组经过深入调查和广泛研讨共同完成，旨在系统分析有关学科的发展态势和规律，提炼关键学科理论和技术问题，提出学科创新发展的新思想和新方法，并为学科的均衡发展提供政策和措施建议。《中国学科发展战略·理论与计算化学》系统梳理了理论与计算化学的学科发展历程，总结了学科发展规律和内在逻辑，前瞻了学科中长期发展趋势，同时面向我国现代化建设的长远战略需求，提炼出学科前沿的重大科学问题和符合中国发展需求的新问题和重大战略方向。

一起阅读科学!

科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm

专业品质  学术价值

原创好读  科学品味

点击文中书名、作者、封面可购买本书