李曉文

隨著科技日新月異的發(fā)展，我們?nèi)粘Ｋ玫氖謾C(jī)、筆記本電腦及近年來出現(xiàn)的電動(dòng)汽車，都離不開新型材料。為了減少環(huán)境污染和降低實(shí)驗(yàn)成本，材料科學(xué)家們往往先進(jìn)行量子化學(xué)模擬，從大量候選材料中篩選出具有特定性質(zhì)并滿足一定要求的樣品，再通過一些實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

事實(shí)上，作為當(dāng)代化學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，量子化學(xué)已被廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等多個(gè)領(lǐng)域，它對分子、材料的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的解釋和預(yù)測是任何其他工具所不能替代的。但對于大多數(shù)科學(xué)家來說，他們關(guān)心的只是計(jì)算結(jié)果，沒有必要、也不可能弄清楚量子化學(xué)計(jì)算的每個(gè)細(xì)節(jié)，此時(shí)就可以借助量子化學(xué)計(jì)算軟件來解決問題。然而，目前國產(chǎn)的量子化學(xué)計(jì)算軟件極少，幾乎所有的計(jì)算工作都是用國外軟件完成的。為了改變這一現(xiàn)狀，西北大學(xué)現(xiàn)代物理研究所教授鄒文利夜以繼日地忙碌著……

“人生就像一盒巧克力”

理論化學(xué)是通過理論計(jì)算而非實(shí)驗(yàn)手段來研究化學(xué)問題的一門學(xué)科，其中最主要的分支是量子化學(xué)。量子化學(xué)源于量子力學(xué)，其理論基礎(chǔ)是薛定諤方程。1998年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了Walter Kohn和John Pople二人，表彰他們在量子化學(xué)領(lǐng)域做出的突出貢獻(xiàn)：前者提出了當(dāng)今被廣泛使用的密度泛函理論，后者不僅發(fā)展出各種量子化學(xué)方法，還開發(fā)了著名的量子化學(xué)軟件Gaussian。

鄒文利這樣評價(jià)量子化學(xué)軟件的重要性：“如果把應(yīng)用量子化學(xué)軟件研究具體問題比作上陣殺敵的話，那么開發(fā)量子化學(xué)軟件的部門就相當(dāng)于兵工廠?！?1世紀(jì)以來，我國在量子化學(xué)領(lǐng)域取得了不少令人矚目的研究成果，涌現(xiàn)出一批具有國際影響力的學(xué)者，但從總體上看，本領(lǐng)域?qū)廛浖囊蕾嚪浅?yán)重，未擺脫技術(shù)受制于人的地位。尤其是最近發(fā)生的幾所高校被美國禁用MATLAB軟件的事件，使國產(chǎn)科學(xué)計(jì)算軟件的研發(fā)變得迫在眉睫。正如著名理論化學(xué)家、中國科學(xué)院院士黎樂民先生2016年在《中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略·理論與計(jì)算化學(xué)》一書中指出的,“總體而言，我國理論與計(jì)算化學(xué)在國際理論與計(jì)算化學(xué)界的地位還不是很高，除了缺少一批大師級的領(lǐng)軍人才，沒有研發(fā)出獨(dú)立完整、功能強(qiáng)大的計(jì)算軟件是最主要的原因”“發(fā)展我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的計(jì)算化學(xué)平臺(tái)已成為促進(jìn)我國理論與計(jì)算化學(xué)學(xué)科發(fā)展的緊迫戰(zhàn)略措施之一?！?/p>

鄒文利

雖然量子化學(xué)軟件非常重要，但事實(shí)上，國內(nèi)從事這一領(lǐng)域的科研工作者并不多。鄒文利解釋道：“一個(gè)很重要的原因是，該研究領(lǐng)域是物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)的交叉學(xué)科，需要研究者不僅具備扎實(shí)的數(shù)理化理論功底，還要熟練掌握計(jì)算機(jī)編程技巧。這就把很多想涉足該領(lǐng)域的學(xué)生拒之門外?！碑?dāng)被問及是如何進(jìn)入這一領(lǐng)域時(shí)，鄒文利笑著回答說：“可以用四個(gè)字來概括——誤打誤撞。”

回國前夕與Cremer課題組成員合影

1994年，鄒文利順利考上南開大學(xué)物理系，這讓他半是欣喜半是憂慮?！拔曳浅Ｏ矚g化學(xué)，高考填志愿的時(shí)候，本來選的全是化學(xué)相關(guān)專業(yè)。可是誤把光學(xué)當(dāng)成了光化學(xué)，就被錄取到物理系了?！睘榱烁N近化學(xué)，本科畢業(yè)后，鄒文利留在南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所，從事分子光譜研究。讀研期間，導(dǎo)師從美國買了一臺(tái)光譜儀器，但卻被美國海關(guān)以違禁品的名義扣下。等收到儀器已是一年后，而且很多關(guān)鍵零部件也缺失了。雖然經(jīng)過了多次嘗試和努力，但鄒文利的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是不理想，最后鄒文利在導(dǎo)師的支持下自學(xué)量子化學(xué)，用理論模擬的方法補(bǔ)全了缺失的光譜數(shù)據(jù)。這件事讓他一方面感嘆理論計(jì)算的強(qiáng)大威力，另一方面也深刻地認(rèn)識(shí)到，只有沖破國外的束縛和限制，依靠本國的軟件和儀器，才能真正實(shí)現(xiàn)我國科技的發(fā)展與進(jìn)步。

博士畢業(yè)后，鄒文利希望能加入一個(gè)致力于開發(fā)國產(chǎn)量子化學(xué)軟件的團(tuán)隊(duì)，恰好著名理論化學(xué)家劉文劍教授剛剛獲聘“長江學(xué)者”，從德國回到北京大學(xué)任教，于是沒有任何編程基礎(chǔ)的鄒文利成為劉文劍團(tuán)隊(duì)的首批博士后，從事能帶理論的軟件開發(fā)。劉文劍教授在理論化學(xué)領(lǐng)域的研究成果十分豐碩，他曾在不到兩年的時(shí)間里連續(xù)捧得了理論化學(xué)界的三項(xiàng)國際大獎(jiǎng)，是業(yè)內(nèi)的翹楚。鄒文利坦言，劉文劍教授對他影響深遠(yuǎn)，是他人生中最重要的人之一。“大家都知道，論文是衡量科研成果的重要標(biāo)志。但我們搞量子化學(xué)軟件開發(fā)，往往幾年才能出一個(gè)成果，不可能發(fā)表很多論文。劉教授告訴我們，‘不要追求發(fā)表論文的數(shù)量，而要力圖每一篇論文都能解決一個(gè)重要的科學(xué)問題’。他希望我們厚積薄發(fā)，踏踏實(shí)實(shí)地做出一些有特色和高水平的研究工作出來?！编u文利說。

為了開拓視野，2007年離開北大后，鄒文利先后到美國的得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校和南方衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)從事博士后研究工作。在后者，鄒文利遇到了另一位對他影響深遠(yuǎn)的人物——Dieter Cremer。Cremer是1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Pople的學(xué)生，但是與科班出身的大多數(shù)量子化學(xué)家不同，Cremer最早學(xué)習(xí)經(jīng)商，子承父業(yè)接管家族企業(yè)，后來又做過報(bào)社記者和編輯，直到30歲以后才進(jìn)入化學(xué)領(lǐng)域，這些豐富的社會(huì)閱歷使他總是從獨(dú)特的視角看問題。例如，他善于和實(shí)驗(yàn)化學(xué)家打交道，根據(jù)他們最關(guān)心的問題，有針對性地發(fā)展計(jì)算方法。也許是Cremer看中了鄒文利的物理專業(yè)背景，Cremer把課題組歷年積攢的難點(diǎn)課題全部交給他，為此他夜以繼日地查資料、推公式、寫代碼、調(diào)程序，經(jīng)常一天只睡三四個(gè)小時(shí)，最后終于解決了這些難題，并且在學(xué)術(shù)上也有巨大收獲。

2015年，當(dāng)鄒文利準(zhǔn)備回國時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)自己處于一個(gè)非常尷尬的境地。“發(fā)表理論化學(xué)算法的學(xué)術(shù)刊物很少，影響因子也不高，導(dǎo)致這個(gè)研究領(lǐng)域在國內(nèi)很多高校和科研單位不受重視。我不知道自己該何去何從?！泵鎸θ松氖致房?，劉文劍教授為他指明了方向——去西北大學(xué)繼續(xù)從事理論化學(xué)研究工作。

西北大學(xué)坐落于古都西安市，是教育部與陜西省人民政府共建的綜合性全國重點(diǎn)大學(xué)，理論化學(xué)是它的優(yōu)勢學(xué)科之一，其中以文振翼教授為首的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的量子化學(xué)軟件Xi’an-CI已被國內(nèi)外多家單位使用。“另外，很多年輕同事都有在劉文劍課題組學(xué)習(xí)或工作的經(jīng)歷，雙方的聯(lián)系也比較緊密，所以西北大學(xué)研究理論化學(xué)的學(xué)術(shù)氛圍還是比較好的。在這里，我可以全身心地投入到自己所熱愛的研究領(lǐng)域中?！被叵肫鹱约航?jīng)歷的種種，鄒文利感慨道，“人生就像一盒巧克力，如果不打開就永遠(yuǎn)不知道下一顆是什么樣子，會(huì)是什么味道?！?/p>

良師益友為伴，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)突破

在西北大學(xué)的4年里，鄒文利的主要工作之一是開發(fā)和完善BDF（Beijing Density Functional）軟件。鄒文利介紹道，“BDF是目前唯一功能比較完整的國產(chǎn)量子化學(xué)軟件，90年代初我的老師劉文劍跟隨黎樂民先生攻讀博士研究生的時(shí)候就在開發(fā)這個(gè)軟件，當(dāng)時(shí)以密度泛函理論為主”。密度泛函理論（Density functional theory，DFT）是一種計(jì)算量相對較小且具有足夠計(jì)算精度的第一性原理方法，廣泛用于處理復(fù)雜的大分子體系。與國外同類軟件不同的是，BDF的特色在于相對論方法，支持標(biāo)量、二分量、四分量相對論的DFT，擅于計(jì)算含有重元素的分子和材料。

2010年以后，根據(jù)量子化學(xué)的未來發(fā)展趨勢，劉文劍團(tuán)隊(duì)決定重寫B(tài)DF軟件，鄒文利于2016年回國后也參與其中。“劉老師既是我的老師也是我的朋友，盡管當(dāng)年離開課題組后，我去了美國求學(xué)，但不管在科研工作方面，還是在生活方面，我們?nèi)匀唤?jīng)常交流。而我在西大的團(tuán)隊(duì)也與劉老師長期保持著合作關(guān)系，我很榮幸能夠一直參與到BDF的開發(fā)中。”鄒文利說。

“近幾十年國外出現(xiàn)過很多量子化學(xué)軟件，但是很大一部分后來都銷聲匿跡了，要么是沒有特色導(dǎo)致用戶太少，要么隨著作者的轉(zhuǎn)行、離世而停止開發(fā)。一個(gè)量子化學(xué)軟件要想生存下去，一要有穩(wěn)定的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，二要有自己的特色與強(qiáng)項(xiàng)，三要能與應(yīng)用相結(jié)合。最近幾年，BDF發(fā)展迅猛，開發(fā)團(tuán)隊(duì)日益擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)了很多有特色的計(jì)算方法，例如用于原子軌道積分的快速求解程序，基于分塊的低標(biāo)度電子相關(guān)方法，用于開殼層體系激發(fā)態(tài)的XTDDFT計(jì)算方法，計(jì)算任意能量范圍內(nèi)全部激發(fā)態(tài)的iVI方法，用于模擬生物大分子的大規(guī)模異構(gòu)并行DFT等?！编u文利介紹道。

在開發(fā)和完善BDF中，鄒文利負(fù)責(zé)的一項(xiàng)重要工作是實(shí)現(xiàn)“精確二分量”（X2C）相對論方法的解析導(dǎo)數(shù)?！坝幸活惢瘜W(xué)反應(yīng)涉及自旋多重度的變化，稱為‘多態(tài)反應(yīng)’。多態(tài)反應(yīng)需要考慮自旋軌道耦合，否則得不到正確的產(chǎn)物和能壘?！编u文利說。自旋軌道耦合屬于一種相對論效應(yīng)，而過去的相對論方法公式復(fù)雜，只能計(jì)算小分子的能量和簡單性質(zhì)，無法像非相對論方法那樣通過解析導(dǎo)數(shù)技術(shù)，例如梯度、頻率及各種單電子性質(zhì)來研究實(shí)際的物理、化學(xué)問題。直到2007年，相對論量子化學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)一項(xiàng)重大突破：劉文劍等學(xué)者提出了X2C方法，該方法在簡單、精度、效率三個(gè)方面都勝過早期的相對論方法，從而為推導(dǎo)相對論的導(dǎo)數(shù)公式并用于實(shí)際計(jì)算提供了可能。

實(shí)際上，早在南方衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)從事研究期間，鄒文利已經(jīng)在Cremer的指導(dǎo)下開始了X2C導(dǎo)數(shù)的研究工作，陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了X2C的各種導(dǎo)數(shù)和相應(yīng)的程序。但不幸的是，X2C導(dǎo)數(shù)的計(jì)算量與非相對論導(dǎo)數(shù)相比增加了幾十到幾百倍，難以用于中等以上的分子體系。如何讓這個(gè)方法更實(shí)用？帶著這個(gè)問題，鄒文利回到國內(nèi)。在一次討論中，劉文劍指出相對論效應(yīng)的局域性是破解該難題的關(guān)鍵，令他豁然開朗。最近，鄒文利把相對論效應(yīng)局域性與矩陣跡的循環(huán)性相結(jié)合，提出基于密度矩陣數(shù)學(xué)變換的X2C快速求導(dǎo)算法，在不損失精度的前提下，使X2C導(dǎo)數(shù)的計(jì)算量與非相對論導(dǎo)數(shù)的計(jì)算量相當(dāng)，極大地縮小了二者在計(jì)算效率方面的差距。這項(xiàng)研究成果發(fā)表在理論化學(xué)算法方面的頂級刊物《化學(xué)理論與計(jì)算雜志》（Journal of Chemical Theory and Computation）。鄒文利打了個(gè)比方：“以前我們算一個(gè)中等規(guī)模分子的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，用相對論方法可能得需要半個(gè)月的時(shí)間，現(xiàn)在只用花十分之一甚至百分之一的時(shí)間就能得到相同的結(jié)果，效果還是很明顯的。”由此，該方法成了真正具有實(shí)用價(jià)值的相對論量子化學(xué)方法，可用來研究重元素體系特別是錒系化合物復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，模擬這類體系的振動(dòng)光譜，以及提供熱化學(xué)數(shù)據(jù)等。

在科學(xué)研究之外，鄒文利還熱心參與到國內(nèi)學(xué)術(shù)社區(qū)的公益活動(dòng)之中。例如，他2001年創(chuàng)建了首個(gè)全中文的量子化學(xué)資料網(wǎng)站“量子化學(xué)軟件中文網(wǎng)”（http://qchem.pw/）并維護(hù)至今；用筆名“Zork”翻譯大量英文資料和多部量子化學(xué)軟件的使用手冊，如ADF、Gaussian、Molpro、DIRAC；在幾個(gè)國內(nèi)著名的量子化學(xué)論壇長期普及量子化學(xué)知識(shí)和進(jìn)行軟件使用答疑。鄒文利解釋道：“我在自學(xué)量子化學(xué)過程中走過很多彎路，深知初學(xué)者的痛苦。我希望通過這些方式，讓更多的人認(rèn)識(shí)、了解量子化學(xué)。如果有人因此愛上量子化學(xué)，并且愿意投身到量子化學(xué)的研究中，那么我的目的也就達(dá)到了。”

面對繁重的工作壓力，鄒文利的解壓方法就是聽相聲。晚上回家，他經(jīng)常會(huì)打開手機(jī)聽馬三立、郭德綱等名家的相聲作品，有些段子他甚至都能背下來?！疤旖蛉寺?，就好這個(gè)”。鄒文利笑著說。樂觀、達(dá)觀并對未來始終充滿期待，這是鄒文利對待生活的態(tài)度，也是他對待科研的態(tài)度。他相信只要一直堅(jiān)持下去，“下一顆巧克力”總會(huì)帶給他新的驚喜。