金井優(yōu)介（Yosuke Kanai）是美國北卡羅來納大學教堂山分校的化學教授，從事理論和計算化學方面的研究，專注于開發(fā)量子力學計算方法并使用它們研究復雜化學系統(tǒng)的動力學行為。他在模擬量子力學過程方面的工作涵蓋了從太陽能轉(zhuǎn)換到質(zhì)子束治療癌癥的廣泛主題。他研究的首要主題是發(fā)展對電子和原子相互作用產(chǎn)生的電子激發(fā)和動力學現(xiàn)象——尤其是在凝聚相和其他擴展系統(tǒng)中——的預測性理解。他特別希望通過開發(fā)和應用基于第一性原理電子結(jié)構(gòu)理論的計算方法來獲得分子層面上的理解。金井優(yōu)介在普林斯頓大學獲得了理論化學博士學位。2022年4月，他接受了《美國科學家》（American Scientist）主編費內(nèi)拉 · 桑德斯（Fenella Saunders）的專訪。

量子化學如何與量子力學和理論化學聯(lián)系起來？

20世紀初，理論化學概念出現(xiàn)。理論化學的基本思路是，我們可以通過數(shù)學和物理學方法了解分子在不同條件下的行為，而無需開展實驗。理論化學包含幾個不同的子領域，其中就有量子化學。量子化學可以歸結(jié)為“利用量子力學的基礎物理學來理解分子在不同情況下的行為”。如果深入到原子或分子的尺度，你就要與電子和原子核打交道了。電子的行為不像經(jīng)典粒子那般，而是遵循量子力學。此外，原子核的某些部分，例如質(zhì)子，也小到了需用量子力學來處理。量子力學在20世紀20年代發(fā)展得相當成熟，彼時許多科學家意識到，他們其實能利用量子力學定律來了解電子和原子核的行為方式。雖然理論學說早已形成，但電子計算機的出現(xiàn)才使科學家可能利用量子力學研究分子。應用之路始于20世紀50年代，而隨著過去70年間計算機技術進步，我們已看到量子化學領域越發(fā)有趣的發(fā)展和進步。

量子化學更關注粒子之間的相互作用，而量子物理則聚焦于基本粒子的行為，是這樣嗎？

量子力學是一個非常廣闊的領域。一方面，很多高能物理學家應用量子力學來認知亞原子粒子——我們用以理解宇宙整體結(jié)構(gòu)的基本要素。另一方面，當你進入電子和分子的超微小的尺度，就需要使用量子力學來理解電子和原子核如何運動。

技術進步如何影響這個領域？

這始于20世紀50年代早期電子計算機的發(fā)展。20世紀90年代，人們開始更多地使用個人電腦。一方面，這毫無疑問激發(fā)了大家去探索量子化學等領域，因為他們能在自己的計算機上進行量子化學計算。再往后，超級計算機點燃了更多人的激情，計算技術的不斷進步正推動量子化學的前沿發(fā)展。另一方面，實驗化學并未停下進步。在過去50年左右的時間里，從事實驗工作的研究者開始使用粒子加速器和光束線之類的東西來進行光譜實驗。如果你在實驗方面取得很大進展，就會有更多令人興奮的成果隨之而來——這能激勵像我這樣的人去了解實驗化學中發(fā)生的事情。在某種意義上，實驗派和理論派攜手并進。

是否有可能在粒子尺度上生成精確模型？

非常困難，因為這要求的尺度太小了。我們知道如何妙用經(jīng)典物理學。你只要愿意模擬我扔出一個球時的力學情景，就肯定能算出那個球落至何處。但當你進入一個很微小的尺度，控制行為的就不再是牛頓力學，而是量子力學。因此，要理解和預測如此微小的分子尺度上的事是極為復雜的。我們無法獲得確切的解決方案。不過由于計算技術的進步，我們能非常精準地確定某些特性，例如預測反應能量。其他一些特性，如光激發(fā)能，更難以準確預測。對于有機分子，我們能夠高質(zhì)量地模擬出它們的光學激發(fā)特性，如躍遷能量。但是對于其他某些類型，例如含有重元素的過渡金屬分子，我們就很難可靠模擬其光學特性。部分原因在于相對論效應。因此可以這么說，某些分子、某些特性好模擬，也能模擬好，而另一些分子和特性則不然。

您為什么致力于表征高能質(zhì)子束？

這種物理現(xiàn)象在癌癥治療中很重要，對于太空任務也相當關鍵。如果你離開地球大氣層，來到銀河系，便可與這些由高能離子組成的宇宙射線邂逅。如果你是一名宇航員且不受保護，它們就將擊中甚至傷害你。太空任務的一大問題是必須保護電子設備免受宇宙射線影響，因為高能離子能穿過電子設備并引起電子激發(fā)，使設備發(fā)生故障。鑒于此，了解高能離子行為非常重要。

模擬能如何深入了解這些高能光束的行為？

要人工產(chǎn)生這些高能質(zhì)子，我們得用上回旋加速器，它能通過磁場將質(zhì)子加速成帶電粒子。有了高能質(zhì)子，你可以開展一些極有意義的實驗，例如測量電子阻止本領，它本質(zhì)上就是能量從這些高能質(zhì)子轉(zhuǎn)移到目標物質(zhì)（如DNA）中的電子的速率。但實驗者難以弄清楚的是這種能量是由何處轉(zhuǎn)移至DNA的。只要看過DNA的結(jié)構(gòu)，就能意識到它是非常復雜的大分子。我們所做的量子力學模擬可以顯示能量去向。例如，我們最近的工作表明，大量能量會轉(zhuǎn)移到DNA的側(cè)鏈，而非DNA堿基對。對于癌癥質(zhì)子治療，這個信息很重要。因為你如果能誘導癌細胞的DNA側(cè)鏈損傷，就很可能最終導致細胞死亡，即在癌細胞中誘導細胞死亡，因為DNA側(cè)鏈損傷難以被蛋白質(zhì)修復。這個例子是量子力學模擬可提供的洞見，它可能很難從實驗中獲得，因為其中的能量轉(zhuǎn)移發(fā)生于飛秒的尺度上。我們可以在模擬中獲得阿秒級的分辨率，以了解能量是如何傳輸?shù)摹?/p>

為什么DNA側(cè)鏈是這種能量轉(zhuǎn)移的目標？

DNA的所有側(cè)鏈（尤其當它處于生理條件下，例如在水中時）都缺少質(zhì)子。這意味著側(cè)鏈暴露出電子，或許就是造成這種高度能量轉(zhuǎn)移的原因。我們還研究了真空環(huán)境下的DNA本身——它們是質(zhì)子化的，其側(cè)鏈并不暴露電子。只有處于水中時，暴露電子的情況才會出現(xiàn)。我們意識到這對于從高能質(zhì)子處吸收能量很關鍵。然而，從實驗角度看，研究生理條件下DNA對質(zhì)子束的響應非常困難。即使模擬水中的DNA，你也需要處理超過10 000個電子。

您認為這些模擬是否有助于找到一種更有效的靶向癌癥DNA的方法？

你如果真想改進離子束療法，就需要了解它的工作原理。我們正做著基礎科學研究，旨在從分子層面提供對其實際工作原理的理解。關于離子束，許多人探討換掉質(zhì)子的可能性，例如使用碳離子之類的。其中的基本原理是，碳離子帶更多電荷，你如果用它，就能將更多能量儲存到癌細胞的DNA中。這挺合理的。質(zhì)子只帶一個正電荷，而碳原子失去所有電子后就帶六個正電荷。那么這種替換除了讓電荷數(shù)乘六，還會帶來什么改變嗎？我們的模擬計算可就此問題提供見解?，F(xiàn)在我們針對質(zhì)子以外的離子進行了原始模擬，以預測當使用α粒子和碳離子等時，能量轉(zhuǎn)移行為如何變化。

如果就簡單想想，既然換了碳原子，有了更多電荷，那自然可以有更大能量轉(zhuǎn)移。但這樣的推導太簡單，太理想化了。你如果像我們這樣做模擬計算，就可了解這些粒子的電離程度。碳離子從來不是簡單的碳原子帶六個正電荷，質(zhì)子也不完全等于一個正電荷。這些量子力學模擬可以深入了解離子的電荷狀態(tài)。

為什么我們要鉆研基礎科學？其重要性是什么？

我們研究與日常生活相關的部分，例如癌癥治療，更容易被大眾理解和欣賞。但模擬計算工作，以及模擬前的大量基礎工作，是枯燥繁重、無人理解的。我們花費很多時間開發(fā)計算機模擬方法，然后投入計算，最終才得到對于癌癥治療有意義的重要見解。開發(fā)模擬方法涉及大量的數(shù)學和編程工作。我們擁有一臺超級計算機，但這并不夠，還必須開發(fā)計算方法。我們得先不遺余力地編程、求解方程、做數(shù)學推導，這些全齊活了，再執(zhí)行模擬。大眾不關注這些內(nèi)容，但是它們非常重要。

這些計算推導是如何創(chuàng)建的？

為了開展模擬，我們必須創(chuàng)建一個計算機程序，這項工作很有難度。一方面，你得熟知量子力學的原理；另一方面，你要把量子力學方程編作程序。超級計算機有許多并行工作的處理器，像我們這樣的計算科學家必須對這些方程進行編程，以便我們編寫的計算機程序可同時利用全部處理器。如果你想做這類工作，你不僅要懂數(shù)學、物理和化學，還必須學習計算機科學和編程方面的知識。我從事的是量子化學研究，但如果你仔細觀察研究中發(fā)生的事情，你會看到數(shù)學、物理、化學和計算機科學。這是個相當跨學科的領域。

資料來源 American Scientist