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理论化学创新团队:用理论研究填补实验空白

2013-08-12 17:01   来源:北师大校报    作者: 消息   浏览量

2010年理论及计算化学暑期学校
  早在2003年,北京师范大学化学学院教授方维海就从理论上预示了芳香族羰基化合物光反应过程涉及暗态结构的存在,但迟迟没有得到实验的印证。在一次查阅国际期刊时,方维海偶然发现美国加州理工学院著名实验化学家、诺贝尔化学奖得主艾哈伍德•泽维尔教授的工作。他们在2006年利用当时最新的超快电子衍射实验技术,观察到了暗态结构;尤其重要的是,实验结论与理论预示的结果完全一致!这使得方维海——这位理论化学家备感欣慰和自豪。

  这样的机会可遇不可求。但是对于方维海和他领导的理论化学创新团队来说,这就是他们执著追求的目标。“在没有任何实验信息的情况下,我们能从理论上预示一些结果,然后被实验证实,这是做理论的人梦寐以求的。”方维海感慨地说。

 

“修炼”理论化学的最高境界

  近十年来,随着化学这门传统实验学科的研究不断从对宏观现象和结果的关注,日渐向微观层面深入,理论化学研究的重要性逐渐凸显。

  “一般认为,支撑化学学科发展的有三个支柱,那就是实验、理论和计算,而理论和计算也可合并在一起。形象来说,化学学科要靠‘两条腿’支撑,一条腿是实验,另一条腿是理论及计算,这就是化学学科的总体格局。”方维海介绍说。

  理论化学可以帮助人们深刻认知化学反应过程的实质,从分子、原子、电子等微观层面理解化学反应过程的机理。“实验很重要,可以观察到一些现象,可以给出最终结果。但对于过程的详细微观机理,实验给出的信息是非常有限的。而理论化学计算模拟的作用,恰恰可以填补这个空白,理论解释和预示可以对实验起到互补和指导作用。”

  方维海用三个不同的境界来说明理论化学和实验的关系:“对于实验上已经观察到的结果,我们从理论上也能得到同样的结论,这是第一种境界:理论验证实验,证明理论的可靠性。”当人们用不同的实验方法和手段,得到了反应物和产物以及一些中间体的信息,但并不清楚反应物是如何变为产物时,通过理论计算和模拟,给出反应过程的详细机理,告诉实验化学家为什么会产生这样的结果,这是第二种境界:理论填补实验研究在机理方面的空白。而第三种境界,也就是最高境界是,“在没有任何实验信息的情况下,我们就能先从理论上预示结果,随后被实验证实”。

  方维海曾经就一位意大利同行所做的一个三原子分子的激发态结构实验,进行了理论模拟,肯定地指出了对方的实验结论有问题。开始,那位同行不相信,又重新做了一次实验,结果竟然与方维海的结论完全一致。这次用理论来纠正实验错误的成功经历,给了方维海极大的鼓舞。

  “一辈子能有多个这样的成果,这是做理论的人的梦想。”方维海感叹道。

  中国的理论化学近年来发展迅速,方维海领导的北京师范大学理论化学研究群体已经成为其中的一支重要力量。2005年,该研究群体被教育部批准为“量子化学生物学创新团队”,2009年又获批成立“理论及计算光化学教育部重点实验室”。一支具备协同创新能力、多学科交叉融合、在国内外有重要影响的研究团队已经成型。

 

  一个团队的迅速崛起离不开卓越的带头人。
 

  通过大量卓有成效的研究,方维海在量子化学基础理论及其相关学科的应用研究方面取得了一系列创新性成果。无论是发展光和热化学反应机理相关的理论方法,还是解决多原子分子光和热化学反应机理问题,在国内理论化学领域都占据了优势地位,部分工作已达到国际领先水平。方维海在激发态从头算分子动力学方法、非绝热过程速率理论和羰基化合物光化学反应机理的从头计算等方面,研究水平处于国际前沿。

  2010年,方维海作为“羰基化合物光解离机理的理论研究”第一完成人获得了教育部科技进步自然科学类一等奖,2011年被科技部聘为“973”计划项目“溶液、界面及蛋白微环境中分子结构与化学反应的理论方法和计算模拟”首席科学家。

  凭借一系列卓著成绩,方维海已被公认为中国理论化学新生代的领军人物。

 

“学术大家庭”和它的“当家人”

  方维海相信,团队的力量是巨大的。他以一颗赤子之心,广揽天下英才,创建并发展了今天的北师大理论化学创新团队。

  利用“985工程”二期建设的契机,方维海引进了一批杰出的高端人才。中国科学院“百人计划”入选者、“国家杰出青年科学基金”获得者、“长江学者”邵久书和长期在美国从事理论化学软件开发和应用研究的于建国,如今都被理论化学创新团队聘为首席专家;“国家杰出青年科学基金”获得者薄志山,国家“千人计划”入选者贾宗超也相继加盟团队。

  此外,一批优秀的中青年骨干更是为团队增添了勃勃生机。黄元河是中日联合培养的博士,又在量子化学诺贝尔奖获得者Fukui的研究集体从事博士后研究;方德彩是北京师范大学特批最年轻的教授,有长期在加拿大多伦多大学和美国Argonne国家实验室访问工作经历……如今的理论化学创新团队可谓群贤会聚,人才济济。

  方维海深知,引得进人才只是第一步,更重要的是留得住人才、发展好人才。为这群终日奋战于科研战场的学术尖兵们解决后顾之忧,以人文情怀营造和谐温馨的“学术大家庭”,是方维海这个“当家人”的分内事。

  他关心引进人才的生活和工作条件。从孩子上学到家庭住房,从实验室的工作环境营造到仪器设备的配置到位,方维海无不为引进人才们精心安排。“要和引进人才做朋友,使杰出人才引得进、留得住,全心全意投入科研工作。”

  身为首席科学家以及化学学院院长,方维海统筹安排,想方设法为新引进的教师提供了近500万元的启动经费。2006年,为了从美国引进祖莉莉博士,方维海从自己申请到的教育部创新团队的300万元经费中,拿出150万元为祖莉莉购置激光器。为了使引进杰出人才薄志山和李林一到岗就能开展实验研究工作,方维海从自己申请的“973”计划项目经费周转90万元,为引进人才购置设备和建立实验室。2011年为引进侯国华博士到化学学院工作,方维海又从自己申请的“973”计划项目经费周转100多万元,为侯国华添置仪器设备、装修实验室。

  创新团队为成员提供了优越的工作条件。团队成员刘亚军说,“现在即使是副教授也有自己独立的办公室。”可是,方维海至今还有相当一部分周转经费没有收还。

  理论化学的研究工作离不开大型计算机群,团队实验室如今拥有500个CPU的计算机群,在设备上可以与任何一个国家比肩。这个计算机群一年365天都在运转,即使研究人员在国外参加国际会议或者讲学,只要需要,就可以直接上网,随时登录使用。

  刘亚军对自己所在的团队充满信心,“现在国内能形成一个非常有效的研究群体很不容易,我们这个集体氛围很好。带头人学术实力强,有号召力,又能够公平地对待大家,每个团队成员都拥有各自的研究方向,大家都在尽自己的努力把事情做好。我们的团队一定会取得大发展、获得大成绩!”

 

国际舞台上的“北师大声音”

  飞越万里,走出法国巴黎戴高乐国际机场,风尘仆仆的方维海和他的理论化学创新团队成员们,立刻感受了到来自东道主的热情——吃住行“一条龙”全部由法方承担,这在国际学术会议上并不多见。
 
  方维海一行是来参加首届“中法双边理论化学研讨会”的。作为在光化学反应这一重要前沿理论方向的国际知名学者、中国化学会理论化学专业委员会主任,他受邀担任此次会议的中方主席。当方维海和法方主席的手紧握在一起时,他深知,学术讨论虽无国界,但科学家们身后代表的却是本国科研的水平和实力。这是一场科学家们深入交流、彼此学习的绝好机会,也是一次中国理论化学研究接受检阅、质询的挑战。会议设置了16个讨论专题,对于每一个专题,中法双方各出一人,先后做专题报告,但同时接受与会者的质询。 “这一届研讨会总体来讲,双方PK基本打成一个平手。”方维海说得很自信。

  同样的一幕,重现在两年后的北京师范大学。北师大承办了第二届“中法双边理论化学研讨会”,中法两国理论化学研究领域的专家学者再次聚首,采用“一对一”讨论和质疑的形式,在电子结构、化学反应动力学、光谱以及统计力学方面做了内容丰富的讲座和报告。方维海再次出任中方主席,同时做大会邀请报告。在报告的质询环节,尽管科学家们都彬彬有礼,但个个辩锋凌厉,讨论异常激烈,中国的科学家团队依旧表现稳健。

  “尽管我们中国目前理论化学研究的水平和世界最前列的国家还有距离,但是在某些领域已经走在前面了”,方维海说。近年来,理论化学创新团队在国际学术讲坛上与各国同行进行了广泛交流和平等对话,他们多次受邀在一些重大国际会议上做邀请报告:邵久书在中国—以色列动力学大会上做邀请报告;方维海在世界理论及计算化学家联合会大会上做特邀报告……国际学术讲坛上不时传出的“北师大声音”,为中国的理论化学研究在世界上赢得了一席之地。

  要想在国际学术舞台上拥有自己的位置,凭借的是实力与眼光,更离不开耐心和坚持。

  在化学学院理论及计算光化学重点实验室,经常会看到这样的场景:一群学者和研究生们或者在热烈地讨论着研究课题,或者专心致志地计算着的各种重要指标和数据。不分节假日,办公室是他们几乎每天必到的地方。团队成员们在各自的研究领域埋头耕耘,不断创新。
 

  如今,北京师范大学理论化学创新团队在电子结构理论和动力学方法以及在光化学和热化学反应中的应用方面取得的成果,广受国际同行认可,在国际上产生了重要影响。创新团队的文章不断见诸国际一流学术刊物,他们提出的理论多次被国际知名实验室的化学家用来支持实验结论。

  与此同时,创新团队积极承担国家重大项目——邵久书等承担了自然基金重点项目“原子分子系统量子动力学有效近似理论方法及其应用研究”,及自然基金重大研究计划培育项目“自组装体系的对称破缺与严格粗粒化方法”;于建国等承担了自然基金重点项目“发展一类可适用于不同等级的量子化学方法的线性标度及对于大的和超大生物分子的研究”;贾宗超承担了自然基金重点项目“多功能调控蛋白AceK磷酸酶反应机制及调控的物理化学研究与应用”;薄志山承担了“973”计划课题“仿生纳米通道功能分子及结构单元的制备”……一系列重量级的科研课题,展现了团队成员服务国家与社会需要的坚定信念,也表现出他们解决重大基础科学问题的突出能力。

  成果虽然不俗,但团队成员们并没有沾沾自喜。方维海说,“我们不是一群沽名钓利的人,我们只是一群喜欢化学、研究化学,希望以微薄之力为中国的理论化学事业贡献一份力量的普通研究者。”

  理论化学创新团队的成员们总说,他们希望在更加深广的领域,更好地发挥理论化学的前瞻作用。因为,这是每一个理论研究者的梦想所在。      (来源:北师大校报;记者 周雪梅)

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