黎樂民：理論與計算化學發展戰略研究

早期化學研究主要依靠實驗探索，被看成是純實驗科學。20世紀前後到60年代，化學家運用物理理論處理化學問題，極大地推動了化學的發展。70年代以後，藉助計算機能力的快速提高，理論與計算化學如虎添翼，迅速發展。2013年，諾貝爾化學獎頒獎通告中說「如今對化學家來說，電腦同試管一樣重要」。從1954年到2014年，諾貝爾化學獎14次授予理論與計算化學，凸顯出理論與計算化學研究在推動化學發展中的重要作用。當前化學正從純實驗科學轉向依靠「實驗、計算、理論」協同推動前進的科學，進入發展的新階段。

理論與計算化學處於蓬勃發展時期，制訂正確發展戰略、建立合理資助機制和採取必要政策措施促進其發展，不但對加速我國這一學科本身的發展有重要作用，對推動化學整體以及材料科學、生命科學等相關學科的發展也有重要意義。

國家自然科學基金委員會中國科學院學科發展戰略研究工作聯合領導小組設立「理論與計算化學發展戰略研究」項目，委託我主持。項目組由13人組成，根據理論與計算化學的內涵和發展現狀，設五個專題，每個專題包含若干主題，邀請國內相關領域優秀中青年專家參加學科發展戰略研究工作。

理論與計算化學發展戰略研究」項目組

各專題在有關主題負責人認真調研文獻的基礎上舉行了專題學術研討會。除專題和主題負責人外，還邀請了項目組外的若干專家參加。電子結構理論與計算方法專題邀請向濤、馬玉臣、任新國、文振翼、曹澤星、戴希、羅洪剛等；化學中的統計力學專題邀請周昕、徐莉梅、高靚輝等；微觀反應機理和反應動態學專題邀請方亞輝；材料科學中的問題專題邀請張振宇、龔新高、郭萬林等；生命科學與藥物化學中的問題專題邀請肖奕、陳敏伯、季長鴿、朱通、李國輝、楊忠志、何曉等。各專題學術研討會後，項目組進行全面總結。

為聽取更多同行專家的意見，集思廣益，項目組2014年6月在太原協助國家自然科學基金委員會化學科學部組織「理論與計算化學發展戰略座談會」，共三十多名出席第十二屆全國量子化學學術會議的國內外專家參加了座談會，包括胡培君、羅毅、林振陽、鄭原忠、莫亦榮等專家。會上，十多人就理論與計算化學發展戰略問題發表意見並提出具體建議。2014年8月，項目組和李燦科研組在大連聯合舉辦「太陽能光催化實驗理論研討會」，討論光催化反應領域理論計算和實驗研究中的問題，探討兩者如何緊密配合互動。還請教過幾位境外專家，如美國加州大學貝克萊分校William H．Miller等。

遵照中國科學院學部學術與出版工作委員會的規定，2014年11月，項目組協助舉辦以「理論與計算化學發展戰略」為主題的「科學與技術前沿論壇」，安排15個專題報告，除項目組成員報告項目整體和各專題工作情況及研究進展外，還有其他學科的專家（周愛輝、周海軍、戴希、羅毅、張振宇、劉利民、蘭崢崗、王煒、王任小等）的專題報告，並邀請崔俊芝、陳難先、王崇愚、陳潤生、陳凱先等院士到會指導。與會專家就我國理論與計算化學發展戰略有關問題展開討論，從不同視角提出意見和建議。

在上述工作基礎上，項目組寫出理論與計算化學發展戰略研究報告（《中國學科發展戰略·理論與計算化學》），分析學科發展歷史和發展規律，評述學科現狀和發展趨勢，提出關鍵科學問題、發展思路和政策建議等。有83人參加撰寫工作，詳見各專題和主題的研究報告。參加過部分工作的還有鄂維南、胡浩、嚴以京、孫強、李雋、林小喬、劉海燕等。

項目任務是在國家自然科學基金委員會和中國科學院學部的領導下完成的，工作過程中得到眾多專家的指導和幫助，謹表示衷心感謝。儘管項目組在工作過程中注意聽取儘可能多專家的意見，多次開會研討，力求將工作做得細緻深入一些，但理論與計算化學是一門多學科交叉的學科，涵蓋面很廣，限於項目組成員的科學水平和分析能力，研究報告難免存在疏漏之處，懇請同行專家批評指正。

黎樂民

北京大學化學與分子工程學院

《中國學科發展戰略·理論與計算化學》

摘 要

一、回顧理論與計算化學發展的歷程，揭示學科交叉的重要性

早期化學研究主要依靠實驗摸索和總結經驗，被看成是純實驗科學。通過不斷吸納物理學和數學的理論成果，利用計算科學發展產出的強大計算能力，構建自身的理論體系，用於化學過程以及相關領域的研究中，逐步形成理論與計算化學。學科發展歷程大致可分為四個階段。第一階段，以實驗探索和總結實驗事實為主，通過建立簡單理論模型說明實驗現象。第二階段，吸納物理學中熱力學和統計力學的成果，建立化學熱力學和化學統計力學。第三階段，吸納量子力學的成果，利用其概念和基本原理處理化學問題成果豐碩，極大推動了化學的發展。運用統計力學理論成果也有重要進展。第四階段，吸納計算機和計算數學成果，逐步向掌握化學變化定量規律的目標邁進；分子模擬逐漸成為研究複雜體系熱力學和動力學性質的重要工具；化學信息學也有很大進展，成為發現有指定用途化學新物質的有效途徑。

學科發展歷程表明，理論與計算化學發展的推動力首先源於化學整體向前發展的要求，理論與實驗研究伴生並行，相互促進。其次也源於理論與計算學科自身發展的需要，即發展高效率和有足夠精度的理論和計算方法。學科交叉重疊起關鍵作用：化學家不斷吸納物理學理論成果以及應用數學與計算科學成果是學科形成的實質性過程，而將理論與計算化學方法用於化學其他分支以及材料科學、生命科學、藥物學等領域的研究推動學科持續向前發展。

二、概述學科現狀、分析發展趨勢

化學進入發展的新階段，逐步發展為依靠實驗、計算、理論三方面協同工作推動的科學。理論和計算模擬方法在化學研究和相關領域中的應用日趨廣泛。理論計算與實驗工作緊密配合互動有效提高了研究效率。計算科學飛速進步使對真實複雜體系結構和運動過程的數學模擬成為可能。近年來理論與計算化學的進步主要表現在兩個方面：研究對象從簡化模型向真實複雜體系和過程逐步逼近；研究目標從對問題的定性分析走向追求定量結論。當前理論與計算化學的發展趨勢與顯現的特徵是：理論分析與計算模型力求逼近複雜的真實化學體系和過程；研究重心從靜態結構逐步轉向動態過程，從簡單基元過程擴展到多種過程耦合；闡明與生命現象相關的化學過程的計算模擬成為熱點；強化對材料結構與功能關係的理論研究；對計算精度的要求進一步提高，建立新理論模型、發展高效率高精度的計算方法，成為學科本身的研究重點；重視發展能計算巨大體系和模擬複雜體系變化過程的方法；理論與計算方法在化學及相關研究中被廣泛應用，與實驗研究緊密配合互動逐步成為研究工作的常態；理論與計算研究正在逐步進入產業部門。

三、展望學科前景，指出面臨的難題

學科發展新階段——躍上新台階的標誌：在質的方面表現為科學水平的提高。理論與計算方法將具備處理更複雜實際體系和過程的能力，對計算結果的誤差有可靠估計，對實驗結果的解釋更可靠，指導實驗探索的作用更強。在量的方面表現為發揮作用範圍擴大，研究人員採用實驗與理論計算緊密配合互動的工作方式將成為常態。

目前存在的主要問題：研究結論沒有足夠的可靠性，計算結果通常不能作為獨立的科學論據，只能作為佐證或者旁證。對於複雜體系的研究，結果與實驗不一致時，無法判斷是物理模型有缺陷還是數學計算的誤差。計算方面的基本困難：量子化學計算的基本矛盾是計算量和精度難於兼顧，研究化學過程對計算精度要求很高，高精度理論研究的計算量非常大；簡化計算模型和／或作計算近似，得出的結論可靠性沒有保證。運用統計力學理論面臨兩大困難：可靠的分子力場很難獲得，超大尺度的空間和時間模擬計算量極大，現有計算機難以勝任。發展高效率、高精度、低計算量、誤差可控（或可估計）的理論與計算方法是理論和計算化學的核心攻堅任務。

四、概述學科關鍵科學問題和學科重要研究前沿

在理論與計算化學基礎性研究方面，提出學科整體向前發展亟需解決的七個關鍵科學問題。在實際體系的理論計算研究方面，強調重視有關學科發展前沿，與實驗研究緊密配合互動開展工作；同時重視以物理學基本原理為依據，為實驗研究預測發展新方向和新領域。

對學科涵蓋的電子結構理論與計算方法、化學中的統計力學、微觀反應機理和反應動態學、材料科學中的問題、生命科學和藥物化學中的問題五個專題中各個主題的關鍵科學問題和重要前沿研究方向，在全書各章分別進行闡述和深入討論。

五、提出發展思路，建議採取相應戰略性措施

強化理論與計算化學與數學、物理、材料、生命、計算科學、信息科學等領域的交叉合作；強化理論和實驗研究的緊密結合，特別是兩者的直接配合互動；加強隊伍建設，要從國外引進高端人才，更要立足國內培養；推廣理論與計算方法在化學及相關研究中的有效運用，在普及的基礎上提高。

六、提出促進學科發展的資助機制與政策的八項具體建議

鑒於目前沒有一個公共計算化學軟體平台嚴重影響我國理論與計算化學發展速度，項目組提出《關於建立「計算化學軟體平台專項」的建議》。

本文由劉四旦摘編自國家自然科學基金委員會、中國科學院編《中國學科發展戰略·理論與計算化學》一書黎樂民院士所撰「前言」，「摘要」，標題為編者所加。

ISBN：978-7-03-048919-7

"中國學科發展戰略"叢書以中國科學院學部開展的"中國科學院學部學科發展戰略研究項目"的研究成果為基礎，由以院士為主體、眾多專家參與的學科發展戰略研究組經過深入調查和廣泛研討共同完成，旨在系統分析有關學科的發展態勢和規律，提煉關鍵學科理論和技術問題，提出學科創新發展的新思想和新方法，並為學科的均衡發展提供政策和措施建議。《中國學科發展戰略·理論與計算化學》系統梳理了理論與計算化學的學科發展歷程，總結了學科發展規律和內在邏輯，前瞻了學科中長期發展趨勢，同時面向我國現代化建設的長遠戰略需求，提煉出學科前沿的重大科學問題和符合中國發展需求的新問題和重大戰略方向。

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