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邹文利:“写”出中国人自己的量子化学软件

本文摘要:邹文利随着科技日新月异的生长,我们日常所用的手机、条记本电脑及近年来泛起的电动汽车,都离不开新型质料。为了淘汰情况污染和降低实验成本,质料科学家们往往先举行量子化学模拟,从大量候选质料中筛选出具有特定性质并满足一定要求的样品,再通过一些实验加以验证。 事实上,作为今世化学的一个分支学科,量子化学已被广泛应用于生物、医药、质料、情况、能源、军事等多个领域,它对分子、质料的结构及性质的解释和预测是任何其他工具所不能替代的。

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邹文利随着科技日新月异的生长,我们日常所用的手机、条记本电脑及近年来泛起的电动汽车,都离不开新型质料。为了淘汰情况污染和降低实验成本,质料科学家们往往先举行量子化学模拟,从大量候选质料中筛选出具有特定性质并满足一定要求的样品,再通过一些实验加以验证。

事实上,作为今世化学的一个分支学科,量子化学已被广泛应用于生物、医药、质料、情况、能源、军事等多个领域,它对分子、质料的结构及性质的解释和预测是任何其他工具所不能替代的。但对于大多数科学家来说,他们体贴的只是盘算效果,没有须要、也不行能弄清楚量子化学盘算的每个细节,此时就可以借助量子化学盘算软件来解决问题。

然而,现在国产的量子化学盘算软件少少,险些所有的盘算事情都是用外洋软件完成的。为了改变这一现状,西北大学现代物理研究所教授邹文利夜以继日地忙碌着……“人生就像一盒巧克力”理论化学是通过理论盘算而非实验手段来研究化学问题的一门学科,其中最主要的分支是量子化学。

量子化学源于量子力学,其理论基础是薛定谔方程。1998年的诺贝尔化学奖授予了Walter Kohn和John Pople二人,表彰他们在量子化学领域做出的突出孝敬:前者提出了当今被广泛使用的密度泛函理论,后者不仅生长出种种量子化学方法,还开发了著名的量子化学软件Gaussian。邹文利这样评价量子化学软件的重要性:“如果把应用量子化学软件研究详细问题比作上阵杀敌的话,那么开发量子化学软件的部门就相当于兵工厂。

”21世纪以来,我国在量子化学领域取得了不少令人瞩目的研究结果,涌现出一批具有国际影响力的学者,但从总体上看,本事域对外洋软件的依赖很是严重,未挣脱技术受制于人的职位。尤其是最近发生的几所高校被美国禁用MATLAB软件的事件,使国产科学盘算软件的研发变得迫在眉睫。正如著名理论化学家、中国科学院院士黎乐民先生2016年在《中国学科生长战略·理论与盘算化学》一书中指出的,“总体而言,我国理论与盘算化学在国际理论与盘算化学界的职位还不是很高,除了缺少一批大师级的领武士才,没有研发出独立完整、功效强大的盘算软件是最主要的原因”“生长我国拥有自主知识产权的盘算化学平台已成为促进我国理论与盘算化学学科生长的紧迫战略措施之一。”虽然量子化学软件很是重要,但事实上,海内从事这一领域的科研事情者并不多。

邹文利解释道:“一个很重要的原因是,该研究领域是物理学、化学、数学及盘算机的交织学科,需要研究者不仅具备扎实的数理化理论功底,还要熟练掌握盘算机编程技巧。这就把许多想涉足该领域的学生拒之门外。”当被问及是如何进入这一领域时,邹文利笑着回覆说:“可以用四个字来归纳综合——误打误撞。

”1994年,邹文利顺利考上南开大学物理系,这让他半是欣喜半是忧虑。“我很是喜欢化学,高考填志愿的时候,原来选的全是化学相关专业。可是误把光学当成了光化学,就被录取到物理系了。”为了更贴近化学,本科结业后,邹文利留在南开大学现代光学研究所,从事分子光谱研究。

读研期间,导师从美国买了一台光谱仪器,但却被美国海关以违禁品的名义扣下。等收到仪器已是一年后,而且许多关键零部件也缺失了。虽然经由了多次实验和努力,但邹文利的实验效果还是不理想,最后邹文利在导师的支持下自学量子化学,用理论模拟的方法补全了缺失的光谱数据。

这件事让他一方面叹息理论盘算的强大威力,另一方面也深刻地认识到,只有突破外洋的束缚和限制,依靠本国的软件和仪器,才气真正实现我国科技的生长与进步。博士结业后,邹文利希望能加入一个致力于开发国产量子化学软件的团队,恰好著名理论化学家刘文剑教授刚刚获聘“长江学者”,从德国回到北京大学任教,于是没有任何编程基础的邹文利成为刘文剑团队的首批博士后,从事能带理论的软件开发。刘文剑教授在理论化学领域的研究结果十分丰硕,他曾在不到两年的时间里一连捧得了理论化学界的三项国际大奖,是业内的翘楚。

邹文利坦言,刘文剑教授对他影响深远,是他人生中最重要的人之一。“大家都知道,论文是权衡科研结果的重要标志。但我们搞量子化学软件开发,往往几年才气出一个结果,不行能揭晓许多论文。

刘教授告诉我们,‘不要追求揭晓论文的数量,而要力争每一篇论文都能解决一个重要的科学问题’。他希望我们厚积薄发,踏踏实实地做出一些有特色和高水平的研究事情出来。”邹文利说。

为了开拓视野,2007年脱离北大后,邹文利先后到美国的得克萨斯大学奥斯汀分校和南方卫理公会大学从事博士后研究事情。在后者,邹文利遇到了另一位对他影响深远的人物——Dieter Cremer。Cremer是1998年诺贝尔化学奖得主Pople的学生,可是与科班身世的大多数量子化学家差别,Cremer最早学习做生意,子承父业接受家族企业,厥后又做过报社记者和编辑,直到30岁以后才进入化学领域,这些富厚的社会阅历使他总是从奇特的视角看问题。

例如,他善于和实验化学家打交道,凭据他们最体贴的问题,有针对性地生长盘算方法。也许是Cremer看中了邹文利的物理专业配景,Cremer把课题组历年积攒的难点课题全部交给他,为此他夜以继日地查资料、推公式、写代码、调法式,经常一天只睡三四个小时,最后终于解决了这些难题,而且在学术上也有庞大收获。

2015年,当邹文利准备回国时,却发现自己处于一个很是尴尬的田地。“揭晓理论化学算法的学术刊物很少,影响因子也不高,导致这个研究领域在海内许多高校和科研单元不受重视。

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我不知道自己该何去何从。”面临人生的十字路口,刘文剑教授为他指明晰偏向——去西北大学继续从事理论化学研究事情。

西北大学坐落于古都西安市,是教育部与陕西省人民政府共建的综合性全国重点大学,理论化学是它的优势学科之一,其中以文振翼教授为首的团队开发的量子化学软件Xi’an-CI已被海内外多家单元使用。“另外,许多年轻同事都有在刘文剑课题组学习或事情的履历,双方的联系也比力精密,所以西北大学研究理论化学的学术气氛还是比力好的。

在这里,我可以全身心地投入到自己所热爱的研究领域中。”追念起自己履历的种种,邹文利感伤道,“人生就像一盒巧克力,如果不打开就永远不知道下一颗是什么样子,会是什么味道。”回国前夕与Cremer课题组成员合影良师益友为伴,实现多项突破在西北大学的4年里,邹文利的主要事情之一是开发和完善BDF(Beijing Density Functional)软件。邹文利先容道,“BDF是现在唯一功效比力完整的国产量子化学软件,90年月初我的老师刘文剑追随黎乐民先生攻读博士研究生的时候就在开发这个软件,其时以密度泛函理论为主”。

密度泛函理论(Density functional theory,DFT)是一种盘算量相对较小且具有足够盘算精度的第一性原理方法,广泛用于处置惩罚庞大的大分子体系。与外洋同类软件差别的是,BDF的特色在于相对论方法,支持标量、二分量、四分量相对论的DFT,擅于盘算含有重元素的分子和质料。

2010年以后,凭据量子化学的未来生长趋势,刘文剑团队决议重写BDF软件,邹文利于2016年回国后也到场其中。“刘老师既是我的老师也是我的朋侪,只管当年脱离课题组后,我去了美国求学,但不管在科研事情方面,还是在生活方面,我们仍然经常交流。

而我在西大的团队也与刘老师恒久保持着互助关系,我很荣幸能够一直到场到BDF的开发中。”邹文利说。

“近几十年外洋泛起过许多量子化学软件,可是很大一部门厥后都销声匿迹了,要么是没有特色导致用户太少,要么随着作者的转行、离世而停止开发。一个量子化学软件要想生存下去,一要有稳定的开发团队,二要有自己的特色与强项,三要能与应用相联合。最近几年,BDF生长迅猛,开发团队日益扩大,实现了许多有特色的盘算方法,例如用于原子轨道积分的快速求解法式,基于分块的低标度电子相关方法,用于开壳层体系引发态的XTDDFT盘算方法,盘算任意能量规模内全部引发态的iVI方法,用于模拟生物大分子的大规模异构并行DFT等。

”邹文利先容道。在开发和完善BDF中,邹文利卖力的一项重要事情是实现“准确二分量”(X2C)相对论方法的剖析导数。“有一类化学反映涉及自旋多重度的变化,称为‘多态反映’。

多态反映需要思量自旋轨道耦合,否则得不到正确的产物和能垒。”邹文利说。自旋轨道耦合属于一种相对论效应,而已往的相对论方法公式庞大,只能盘算小分子的能量和简朴性质,无法像非相对论方法那样通过剖析导数技术,例如梯度、频率及种种单电子性质来研究实际的物理、化学问题。直到2007年,相对论量子化学领域泛起一项重大突破:刘文剑等学者提出了X2C方法,该方法在简朴、精度、效率三个方面都胜过早期的相对论方法,从而为推导相对论的导数公式并用于实际盘算提供了可能。

实际上,早在南方卫理公会大学从事研究期间,邹文利已经在Cremer的指导下开始了X2C导数的研究事情,陆续实现了X2C的种种导数和相应的法式。但不幸的是,X2C导数的盘算量与非相对论导数相比增加了几十到几百倍,难以用于中等以上的分子体系。如何让这个方法更实用?带着这个问题,邹文利回到海内。

在一次讨论中,刘文剑指出相对论效应的局域性是破解该难题的关键,令他豁然开朗。最近,邹文利把相对论效应局域性与矩阵迹的循环性相联合,提出基于密度矩阵数学变换的X2C快速求导算法,在不损失精度的前提下,使X2C导数的盘算量与非相对论导数的盘算量相当,极大地缩小了二者在盘算效率方面的差距。

这项研究结果揭晓在理论化学算法方面的顶级刊物《化学理论与盘算杂志》(Journal of Chemical Theory and Computation)。邹文利打了个例如:“以前我们算一其中等规模分子的化学反映机理,用相对论方法可能得需要半个月的时间,现在只用花十分之一甚至百分之一的时间就能获得相同的效果,效果还是很显着的。

”由此,该方法成了真正具有实用价值的相对论量子化学方法,可用来研究重元素体系特别是锕系化合物庞大的化学反映,模拟这类体系的振动光谱,以及提供热化学数据等。在科学研究之外,邹文利还热心到场到海内学术社区的公益运动之中。例如,他2001年建立了首个全中文的量子化学资料网站“量子化学软件中文网”(http://qchem.pw/)并维护至今;用笔名“Zork”翻译大量英文资料和多部量子化学软件的使用手册,如ADF、Gaussian、Molpro、DIRAC;在几个海内著名的量子化学论坛恒久普及量子化学知识和举行软件使用答疑。邹文利解释道:“我在自学量子化学历程中走过许多弯路,深知初学者的痛苦。

我希望通过这些方式,让更多的人认识、相识量子化学。如果有人因此爱上量子化学,而且愿意投身到量子化学的研究中,那么我的目的也就到达了。

”面临繁重的事情压力,邹文利的解压方法就是听相声。晚上回家,他经常会打开手机听马三立、郭德纲等名家的相声作品,有些段子他甚至都能背下来。“天津人嘛,就好这个”。

邹文利笑着说。乐观、达观并对未来始终充满期待,这是邹文利看待生活的态度,也是他看待科研的态度。他相信只要一直坚持下去,“下一颗巧克力”总会带给他新的惊喜。


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