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中國學科發(fā)展戰(zhàn)略·理論與計算化學 讀者對象:本書適用于高層次管理專家
中國學科發(fā)展戰(zhàn)略叢書以中國科學院學部開展的"中國科學院學部學科發(fā)展戰(zhàn)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(fā)展戰(zhàn)略研究組經(jīng)過深入調(diào)查和廣泛研討共同完成,旨在系統(tǒng)分析有關學科的發(fā)展態(tài)勢和規(guī)律,提煉關鍵學科理論和技術問題,提出學科創(chuàng)新發(fā)展的新思想和新方法,并為學科的均衡發(fā)展提供政策和措施建議。《中國學科發(fā)展戰(zhàn)略·理論與計算化學》系統(tǒng)梳理了理論與計算化學的學科發(fā)展歷程,總結了學科發(fā)展規(guī)律和內(nèi)在邏輯,前瞻了學科中長期發(fā)展趨勢,同時面向我國現(xiàn)代化建設的長遠戰(zhàn)略需求,提煉出學科前沿的重大科學問題和符合中國發(fā)展需求的新問題和重大戰(zhàn)略方向。
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適讀人群 :本書可供高層次管理專家做戰(zhàn)略決策時參考,也可供研究生和有關科研人員閱讀,有助于深化對學科發(fā)展趨勢、發(fā)展前景的認識以及了解關鍵科學問題和前沿領域的重點方向。
學科發(fā)展戰(zhàn)略研究工作沿襲了由中科院院士牽頭的方式,并凝聚相關領域專家學者共同開展研究。他們秉承“知行合一”的理念,將深刻的洞察力和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L結合起來,潛心研究,求真唯實,“知之真切篤實處即是行,行之明覺精察處即是知”。他們精益求精,“止于至善”,“皆當至于至善之地而不遷”,力求盡善盡美,以獲取集體智慧。他們在中國基礎研究從與發(fā)達國家“總量并行”到“貢獻并行”再到“源頭并行”的升級發(fā)展過程中,腳踏實地,拾級而上,縱觀全局,極目迥望。他們站在巨人肩上,立于科學前沿,為中國乃至世界的學科發(fā)展指出可能的生長點和新方向。
前言
早期化學研究主要依靠實驗探索,被看成是純實驗科學。20世紀前后到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(fā)展。70年代以后,借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(fā)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(fā)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(xié)同推動前進的科學,進入發(fā)展的新階段。理論與計算化學處于蓬勃發(fā)展時期,制訂正確發(fā)展戰(zhàn)略、建立合理資助機制和采取必要政策措施促進其發(fā)展,不但對加速我國這一學科本身的發(fā)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(fā)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(fā)展戰(zhàn)略研究工作聯(lián)合領導小組設立“理論與計算化學發(fā)展戰(zhàn)略研究”項目,委托我主持。項目組由13人組成,根據(jù)理論與計算化學的內(nèi)涵和發(fā)展現(xiàn)狀,設五個專題,每個專題包含若干主題,邀請國內(nèi)相關領域優(yōu)秀中青年專家參加學科發(fā)展戰(zhàn)略研究工作。 各專題在有關主題負責人認真調(diào)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(tǒng)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(tài)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。各專題學術研討會后,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(xié)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(fā)展戰(zhàn)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(nèi)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(fā)展戰(zhàn)略問題發(fā)表意見并提出具體建議。2014年8月,項目組和李燦科研組在大連聯(lián)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(guī)定,2014年11月,項目組協(xié)助舉辦以“理論與計算化學發(fā)展戰(zhàn)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,并邀請崔俊芝、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(fā)展戰(zhàn)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(fā)展戰(zhàn)略研究報告,分析學科發(fā)展歷史和發(fā)展規(guī)律,評述學科現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,提出關鍵科學問題、發(fā)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。盡管項目組在工作過程中注意聽取盡可能多專家的意見,多次開會研討,力求將工作做得細致深入一些,但理論與計算化學是一門多學科交叉的學科,涵蓋面很廣,限于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
本書由國家自然科學基金委員會與中國科學院聯(lián)合發(fā)布。項目主持人為北京大學黎樂民院士。黎樂民院士現(xiàn)任北京大學化學與分子工程學院教授、博士生導師、院學術委員會主任、理學部和校學術委員會委員;兼任《稀土材料化學及應用》國家重點實驗室學術委員會主任、《理論與計算化學》國家重點實驗室學術委員會主任、《中國科學》(B輯:化學)執(zhí)行副主編、《高等學校化學學報》副主編、《中國化學快報》副主編等學術職務。
目錄
總序i 前言v 摘要xv Abstract Xiii 總論 理論與計算化學發(fā)展戰(zhàn)略縱覽1 第一節(jié) 理論與計算化學在基礎科學中的地位1 一、化學在經(jīng)濟社會發(fā)展中的作用1 二、理論與計算在化學發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用2 第二節(jié) 學科內(nèi)涵、發(fā)展歷程與規(guī)律4 一、理論與計算化學的內(nèi)涵4 二、學科發(fā)展歷程5 三、學科發(fā)展規(guī)律和特點7 第三節(jié) 學科發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢7 一、理論與計算化學發(fā)展現(xiàn)狀7 二、學科發(fā)展趨勢與顯現(xiàn)的特征9 三、我國理論與計算化學發(fā)展情況10 第四節(jié) 發(fā)展戰(zhàn)略思路15 一、理論與計算化學發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)性難題15 二、學科發(fā)展戰(zhàn)略思路要點17 第五節(jié) 發(fā)展方向:關鍵科學問題和學科重要研究前沿18 一、學科整體的重要研究前沿與關鍵科學問題18 二、各分支學科核心科學問題與研究前沿20 第六節(jié) 資助機制與政策建議22 一、戰(zhàn)略性措施22 二、對資助機制與政策措施的建議23 第七節(jié) 小結24 第一篇 電子結構理論與計算方法 第一章 電子結構理論與計算方法概述29 第二章 波函數(shù)電子相關方法的進展及展望38 第一節(jié) 引言38 第二節(jié) 多組態(tài)自洽場方法和組態(tài)相互作用方法39 第三節(jié) 耦合簇方法43 第四節(jié) 顯式相關方法47 第五節(jié) 未來的發(fā)展方向49 第三章 量子化學中的密度矩陣重整化群方法52 第一節(jié) 引言52 第二節(jié) DMRG傳統(tǒng)的形式和語言54 第三節(jié) 矩陣乘積態(tài)56 第四節(jié) 算法中的微擾修正和noise的加入60 第五節(jié) 對稱性的問題60 第六節(jié) 激發(fā)態(tài)的問題61 第七節(jié) DMRG在量子化學中的新發(fā)展62 一、軌道排序和軌道類型的問題62 二、DMRG-CASSCF及其他方法優(yōu)化分子軌道63 三、超越MPS的張量網(wǎng)絡態(tài)64 四、結合動態(tài)相關計算方法的DMRG-CASPT2和DMRG-CT 65 第八節(jié) 總結和展望66 第四章 價鍵理論方法70 第一節(jié) 引言70 第二節(jié) 從頭算價鍵理論方法進展71 一、基于離域軌道的價鍵理論方法72 二、基于定域軌道的價鍵理論方法72 三、基于分子軌道方法波函數(shù)分析75 四、考慮凝聚態(tài)體系的價鍵理論方法75 第三節(jié) 價鍵理論方法關鍵問題76 第五章 微擾理論的發(fā)展現(xiàn)狀及展望80 第一節(jié) 引言80 第二節(jié) 單參考態(tài)微擾理論81 一、單參考態(tài)閉殼層微擾理論81 二、單參考態(tài)開殼層微擾理論82 第三節(jié) 多參考態(tài)微擾理論83 第四節(jié) 顯含Tl2的微擾理論86 第五節(jié) Monte Carlo方法在微擾理論中的應用87 第六節(jié) 總結87 一、微擾理論的優(yōu)點87 二、微擾理論的缺點88 第七節(jié) 展望88 第六章 密度泛函理論基礎進展及其與多體理論的關系92 第一節(jié) 引言92 第二節(jié) 發(fā)展現(xiàn)狀綜述和評價94 一、從分數(shù)電荷/自旋的角度審視離域誤差和靜態(tài)誤差94 二、絕熱連接:建立密度泛函理論與多體理論之間的聯(lián)系98 第七章 近似密度泛函的發(fā)展106 第一節(jié) 主要科學問題106 第二節(jié) 現(xiàn)有近似泛函的大致分類106 第三節(jié) 近似泛函的系統(tǒng)評測107 一、生成熱109 二、帶電物種109 三、鍵能109 四、反應能壘110 五、非共價鍵相互作用110 第四節(jié) 近似泛函的重要誤差來源110 第五節(jié) 亟待解決的重大問題112 第六節(jié) 可能解決問題的途徑114 第七節(jié) 20篇標志性論文114 第八章 TDDFf的發(fā)展與在激發(fā)態(tài)計算和開放體系中的應用123 第一節(jié) 引言123 第二節(jié) 歷史與現(xiàn)狀124 一、基本TDDFT方法124 二、泛函形式的發(fā)展126 三、TDDFT線性標度計算129 四、強電磁場過程131 五、流密度泛函理論132 六、開放體系與量子輸運133 第三節(jié) 展望與建議137 第九章 多體格林函數(shù)方法140 第一節(jié) 引言140 第二節(jié) 理論框架141 一、單粒子格林函數(shù)和雙粒子格林函數(shù)142 二、Dyson方程、Hedin方程和GW方法143 三、Bethe-Salpeter方程144 第三節(jié) 發(fā)展歷程146 一、GW方法146 二、Bethe-Salpeter方程149 三、計算程序和應用151 第四節(jié) 發(fā)展趨勢152 一、自能算符的進一步深入研究152 二、處理簡并體系相關理論方法的研究152 三、處理雙激發(fā)現(xiàn)象相關理論方法的研究153 四、激發(fā)態(tài)作用力計算方法的研究153 五、電聲相互作用對電子結構和激發(fā)態(tài)影響的研究153 六、自能算符快速計算方法的研究153 第十章 強關聯(lián)材料的第一性原理電子結構理論156 第一節(jié) 引言156 第二節(jié) 基于對LDA/GGA修正的第一性原理方法157 一、LDAI+U方法158 二、雜化泛函158 三、SIC-LDA 159 第三節(jié) 基于格林函數(shù)的第一性原理多體理論方法160 第四節(jié) 結合模型哈密頓量的第一性原理方法161 一、downfolding概念161 二、HubbardU值的第一性原理計算162 三、LDA+DMFT方法163 四、GW+DMFT方法164 第五節(jié) 總結與展望166 第十一章 相對論分子量子力學中的若干基本問題與解決方案169 第一節(jié) 引言169 一、相對論效應169 二、量子電動力學效應171 三、相對論分子量子力學172 第二節(jié) 相對論哈密頓173 一、全電子相對論哈密頓173 二、價電子相對論哈密頓177 第三節(jié) 相對論電子相關179 第四節(jié) 相對論電子性質179 第五節(jié) 結論與展望180 第十二章 量子蒙特卡羅方法184 第一節(jié) 引言184 第二節(jié) 變分蒙特卡羅方法185 第三節(jié) 實幾何空間格林函數(shù)蒙特卡歲方法186 一、固定節(jié)面擴散蒙特卡羅方法188 二、自修復節(jié) 面擴散蒙特卡羅方法190 第四節(jié) 反對稱組態(tài)空間蒙特卡羅方法191 一、全組態(tài)相互作用量子蒙特卡羅方法191 二、輔助場量子蒙特卡羅方法193 第五節(jié) 蒙特卡羅方法巾的激發(fā)態(tài)計算問題194 第六節(jié) 含時量子蒙特卡羅方法195 第七節(jié) 減少Q(mào)MC計算誤差的算法196 一、表層塌滑量子蒙特卡羅方法196 二、減少方差、偏差的方法和力的計算197 第八節(jié) 總結與展望199 一、量子蒙特卡羅方法的優(yōu)點199 二、量子蒙特卡羅方法的缺點與待解決的主要難題199 三、展望200 第十三章 約化密度矩陣理論203 第一節(jié) 引言203 第二節(jié) 二階約化密度矩陣理論204 一、二階約化密度矩陣的N可表示問題204 二、變分二階約化密度矩陣理論206 三、收縮的薛定諤方程208 第三節(jié) 一階密度矩陣泛函理論211 第四節(jié) 總結215 第十四章 超大體系的處理方法218 第一節(jié) 引言218 第二節(jié) 大體系的量子化學計算方法219 一、不斷改進量子化學計算方法以適應大體系計算219 二、計算機披術對實現(xiàn)大體系計算做出持續(xù)不斷的貢獻220 三、GPU技術將會對計算化學帶來的革命性影響220 第三節(jié) 超大體系的處理方法簡述221 一、采用近似數(shù)值計算方法221 二、改變計算策略222 第四節(jié) 結論和展望225 第二篇 化學中的統(tǒng)計力學 第一章 化學中的統(tǒng)計力學概述231 第一節(jié) 歷史簡介232 一、統(tǒng)計力學的建立——兩位奠基人232 二、量子統(tǒng)計的提出233 三、非平衡統(tǒng)計力學的發(fā)展233 四、相變研究234 五、應用統(tǒng)計力學234 六、學術期刊的演變235 第二節(jié) 近20年重要進展及展望236 第二章 統(tǒng)計力學基礎與漲落定理243 第一節(jié) 引言243 第二節(jié) 量子統(tǒng)計力學245 一、本征態(tài)熱化假設245 二、量子糾纏與典型性246 第三節(jié) 漲落定理的相關研究進展248 一、Bochkov-Kuzovlev漲落耗散關系(漲落定理的早期版本)248 二、EvansSearles漲落定理(漲落定理的現(xiàn)代表述)248 三、Jarzynski等式249 四、Crooks功漲落定理(連接兩個平衡態(tài)的漲落定理)250 五、漲落定理的實驗驗證250 六、隨機熱力學251 第四節(jié) 展望252 第三章 凝聚相量子動力學256 第一節(jié) 引言256 第二節(jié) 理論方法的主要進展256 一、系統(tǒng)-環(huán)境方法257 二、有效近似方法259 三、從不含時方法得到動力學信息261 四、凝聚相光譜理論與計算261 第三節(jié) 總結與展望262 第四章 復雜分子體系電子激發(fā)態(tài)動力學理論方法266 第一節(jié) 引言266 第二節(jié) 理論方法的主要進展267 一、MCTDH方法267 二、混合量子經(jīng)典方法268 三、基于Meyer-Miller-Stock-Thoss-mapping模型的半經(jīng)典方法269 四、高斯波包方法270 第三節(jié) 總結與展望271 第五章 數(shù)值路徑積分方法展望274 第一節(jié) 引言274 第二節(jié) 虛時間路徑積分:路徑積分分子動力學/蒙特卡羅平衡統(tǒng)計方法276 第三節(jié) 基于路徑積分的實時間動力學方法277 第四節(jié) 總結和展望280 第六章 增強抽樣283 第一節(jié) 引言283 第二節(jié) 分子模擬研究存在的主要科學問題及增強抽樣方法的發(fā)展284 一、分子模擬的時間與空間尺度問題284 二、分子模擬中的增強采樣方法285 三、對給定坐標空間的增強取樣285 四、無特定坐標的取樣方法287 五、軌跡空間的增強取樣289 六、數(shù)據(jù)分析及取樣290 第三節(jié) 展望290 第四節(jié) 小結291 第七章 粗;碚撍枷295 第一節(jié) 引言295 第二節(jié) 粗;椒òl(fā)展歷史、現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)296 一、實用性方面的問題298 二、粗;椒▽W方面的問題299 三、粗;椒ǖ慕y(tǒng)計物理基礎300 第三節(jié) 展望301 第八章 高分子統(tǒng)計理論與數(shù)值模擬303 第一節(jié) 引言303 第二節(jié) 高分子統(tǒng)計理論與數(shù)值模擬的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)304 一、粗粒化分子動力學模擬方法的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)304 二、高分子體系自洽場方法的現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)307 三、應用增強抽樣方法的必要性308 第三節(jié) 展望308 第九章 生物分子統(tǒng)計模擬方法311 第一節(jié) 引言311 第二節(jié) 生物分子統(tǒng)計模擬方法的發(fā)展介紹312 一、多元動力學方法314 二、馬爾科夫態(tài)模型315 三、打樁算法316 四、過渡路徑抽樣算法316 五、過渡界面采樣方法317 六、前向流采樣方法317 第三節(jié) 展望318 第三篇 微觀反應機理和反應動態(tài)學 第一章 微觀反應機理和反應動態(tài)學概述323 第二章 氣相小分子體系量子動力學——氣相小分子體系量子動力學研究的突破性進展、面臨的問題和展望330 第一節(jié) 引言330 第二節(jié) 發(fā)展歷史和現(xiàn)狀332 一、勢能面的構建332 二、量子動力學334 三、半經(jīng)典動力學339 四、經(jīng)典力學在反應動力學中的應用341 第三節(jié) 展望343 第三章 光化學反應機理和動力學346 第一節(jié) 引言346 第二節(jié) 歷史和現(xiàn)狀347 一、勢能面錐形交叉結構和性質347 二、非絕熱動力學351 三、羰基化合物光解離機理356 四、金屬配合物光催化水分解356 第三節(jié) 展望:未來重要發(fā)展方向和重點研究的科學問題358 第四章 熱化學反應機理:氣相和溶液中典型化學反應機理——突破性進展、目前和未來要解決的重大問題和一些思路362 第一節(jié) 引言362 第二節(jié) 研究現(xiàn)狀和面臨挑戰(zhàn)及相關重要進展364 一、計算精度和速度的挑戰(zhàn)365 二、溶劑效應的計算所面臨的挑戰(zhàn)366 三、新的計算方法和模型的提出367 四、新的反應模式的提出369 五、對于復雜反應體系如何能考慮到所有而不是有限的幾條反應途徑370 六、分叉過渡態(tài)(bifurcation-transition-state)和非玻爾茲曼(Boltzmann)分布的反應考慮371 七、隧道效應的考慮373 八、體系中真正催化物種的認識的挑戰(zhàn)374 九、反應規(guī)律的總結與歸納377 十、利用反應機理信息來設計和指導化學反應條件的優(yōu)化和新反應的設計377 第三節(jié) 展望380 第五章 多相催化理論研究進展384 第一節(jié) 引言384 第二節(jié) 發(fā)展歷史和現(xiàn)狀386 一、結構和活性的關聯(lián)386 二、理性催化設計的基本判據(jù)390 三、固液界面催化的理論方法392 第三節(jié) 展望397 第六章 光催化反應及相關理論與計算研究401 第一節(jié) 引言401 第二節(jié) 拓展光催化材料的光譜響應范圍402 一、元素摻雜調(diào)控能帶結構402 二、固溶體調(diào)控能帶結構402 三、Ti02氫仳調(diào)節(jié)能帶結構403 四、復合光催化材料結構設計403 五、近紅外及全太陽譜光催化405 第三節(jié) 提高光生載流子分離效率406 一、復合半導體體系406 二、金屬/半導體復合體系407 三、石墨烯(類石墨烯)/半導體復合體系407 四、自發(fā)極化材料408 第四節(jié) 光催化理論研究中的計算問題408 一、激發(fā)態(tài)問題409 二、結構和尺度問題410 第五節(jié) 總結與展望412 第七章 煤轉化過程的理論與計算——回顧與前瞻415 第一節(jié) 引言415 第二節(jié) 回顧過去、研究現(xiàn)狀和存在的問題416 第三節(jié) 未來展望425 第八章 燃燒反應機理研究進展430 第一節(jié) 引言430 第二節(jié) 燃燒機理研究現(xiàn)狀和存在的主要問題431 一、燃燒反應的基元過程431 二、燃燒復雜反應機理437 三、燃燒反應分子模擬441 第三節(jié) 展望442 第九章 分子間弱相互作用與自組裝理論445 第一節(jié) 引言445 第二節(jié) 分子間弱相互作用與自組裝理論的發(fā)展及存在的問題147 一、分子間弱相互作用計算方法447 二、自組裝理論449 第三節(jié) 展望454 第四篇 材料科學中的問題 第一章 材料科學中的問題概述——材料模擬對理論與計算化學的挑戰(zhàn)461 第一節(jié) 結構預測對理論與計算化學的挑戰(zhàn)462 第二節(jié) 面向材料功能預測的微觀理論464 第三節(jié) 材料的生長微觀機理與動態(tài)演化466 第二章 結構搜索方法469 第一節(jié) 科學問題469 第二節(jié) 穩(wěn)態(tài)結構預測471 第三節(jié) 過渡態(tài)結構預測475 第四節(jié) 未解決的問題與展望478 第三章 復合材料表界面與微孔材料的計算模擬482 第一節(jié) 引言482 第二節(jié) 關鍵科學問題、解決思路、面臨的主要困難和挑戰(zhàn)483 一、表界面形貌及熱力學性質的模擬483 二、表(界)面分子及分子聚集體的電子結構486 三、表(界)面分子組裝487 四、多孔材料的理論研究490 第三節(jié) 展望494 第四章 非晶態(tài)材料理論計算領域的機遇與挑戰(zhàn)497 第一節(jié) 引言497 第二節(jié) 非晶態(tài)材料計算發(fā)展概述499 一、非晶硅和鍺499 二、非晶磷族材料(磷、砷、銻、鉍)501 三、非晶硫族材料(硫、硒、碲)502 四、硒、碲液晶相(1SclTclSc.:Tci。)504 五、金屬玻璃505 第三節(jié) 非晶態(tài)材料計算方法面臨的困難和挑戰(zhàn)506 第四節(jié) 非晶態(tài)材科理論研究的解決方案508 第五節(jié) 總結與展望508 第五章 極端條件下的材料結構512 第一節(jié) 概述——主要科學問題512 第二節(jié) 發(fā)展歷史和現(xiàn)狀解決問題的思路和面臨的主要困難和挑戰(zhàn)514 一、成功的結構預測方法概述和解決問題的思路514 二、高壓極端條件下材料結構預測的成功范例515 三、尚未解決的關鍵科學問題517 第三節(jié) 展望未來重要發(fā)展方向和重點研究的科學問題518 一、大尺度結構預測方法的發(fā)展518 二、高壓極端條件下的功能材料519 三、行星內(nèi)部材料的結構521 第六章 生長機理的理論研究:現(xiàn)狀與展望524 第一節(jié) 引言524 第二節(jié) 晶體生長理論簡介525 第三節(jié) 生長機理研究中的關鍵科學問題527 一、復雜多通道反應路徑的搜尋527 二、生長動力學模型的建立529 三、系統(tǒng)與環(huán)境的耦合531 四、生長的理論設計532 第四節(jié) 總結與展望532 第七章 光學材料的理論計算536 第一節(jié) 有機發(fā)光材料的理論與計算536 一、引言536 二、分子激發(fā)態(tài)電子結構方法的進展及存在的問題538 三、分子激發(fā)態(tài)衰變過程的理論進展539 四、有機發(fā)光材料的理論研究進展540 第二節(jié) 非線性光學材料的計算542 一、導數(shù)法543 二、非線性格林函數(shù)方法543 三、態(tài)求和方法544 四、周期體系的非線性響應理論544 第三節(jié) 總結與展望545 第八章 電子傳輸材料的理論模擬551 第一節(jié) 引言551 第二節(jié) 無機半導體電荷傳輸552 一、聲子散射552 二、缺陷散射553 三、載流子載流子散射553 第三節(jié) 有機半導體電荷傳輸554 一、有機分子材料554 二、聚合物材料558 第四節(jié) 低維碳材料559 第五節(jié) 分子電子學561 第六節(jié) 展望562 第九章 磁性材料與自旋調(diào)控565 第一節(jié)科學問題565 第二節(jié)理論與方法發(fā)展566 第三節(jié)磁性材料設計與白旋調(diào)控570 一、新概念磁性材料570 二、自旋的電場控制571 第四節(jié)前景與展望572 第十章 新型光伏材料與熱電材料的理論模擬575 第一節(jié) 新型光伏材料575 一、有機太陽能電池相關研究576 二、染料敏化太陽能電池相關研究579 三、鈣鈦礦太陽能電池相關研究582 第二節(jié) 熱電材料585 一、研究進展和理論方法介紹586 二、存在的問題和展望590 第五篇 生命科學與藥物化學中的問題 第一章 生命科學與藥物化學中的問題概述597 第二章 生物大分子的量子化學計算與分子力場605 第一節(jié) 引言605 第二節(jié) 生物大分子的量子分塊計算方法606 第三節(jié) 生物分子力場與極化效應609 第四節(jié) 量子力學和分子力學(QM/MM)組合計算方法611 一、能量分析611 二、區(qū)域和方法選擇613 三、邊界銜接613 四、平衡態(tài)和非平衡態(tài)誘導極化615 第五節(jié) 展望616 第三章 生物分子動力學模擬方法619 第一節(jié) 引言619 第二節(jié) 分子模擬方法620 第三節(jié) 蛋白質配體相互作用自由能計算622 第四節(jié) 粗;喑叨饶P625 第五節(jié) 展望629 第四章 生物分子中的電荷與能量轉移632 第一節(jié) 引言632 第二節(jié) 電子轉移過程633 一、電子轉移理論基礎和發(fā)展現(xiàn)狀633 二、電子轉移的分子動力學模擬635 三、電子轉移的QM/MM模擬636 第三節(jié) 質子轉移過程638 一、質子轉移理論基礎638 二、質子轉移理論發(fā)展現(xiàn)狀638 第四節(jié) 質子耦合電子轉移過程640 一、質子耦合電子轉移理論基礎641 二、質子耦合電子轉移研究現(xiàn)狀643 第五節(jié) 生物分子中的電荷相能量轉移發(fā)展前景展望645 第五章 蛋白質結構與功能649 第一節(jié) 引言649 第二節(jié) 蛋白質結構預測650 一、蛋白質結構預測的主要方法650 二、CASP與蛋白質結構預測方法展望652 第三節(jié) 金屬蛋白質652 一、金屬蛋白的結構與其功能的關系653 二、金屬蛋白的理論與計算模擬653 第四節(jié) 膜蛋白質654 一、膜蛋白質結構預測655 二、通道蛋白的分子模擬655 三、受體和轉運體蛋白的模擬657 四、脂質與蛋白相互作用658 第五節(jié) 蛋白質-蛋白質相互作用658 一、復雜多樣的蛋白質-蛋白質相互作用機制658 二、蛋白質復合物結構的計算分析659 三、蛋白質-蛋白質復合物結構的預測與對接計算660 第六節(jié) 前景與展望662 第六章 蛋白質設計666 第一節(jié) 引言666 第二節(jié) 蛋白質設計666 一、蛋白質設計所涉及的主要計算方法667 二、全新蛋白質設計(de noro oprotein design)668 三、蛋白質功能設計668 第三節(jié) 蛋白質結構、功能與設計發(fā)展前景展望671 第七章 核酸與生物膜675 第一節(jié) 引言675 第二節(jié) 核酸和蛋白質核酸相互作用676 一、RNA三級結構預測676 二、RNA動力學677 三、蛋白質DNA分子對接677 四、蛋白質RNA復合體結構預測678 第三節(jié) 生物膜679 一、脂質力場679 二、生物膜模擬680 第四節(jié) 戰(zhàn)略展望681 一、核酸與蛋白質核酸相互作用681 二、生物膜681 第八章 生物大分子信號傳導和網(wǎng)絡685 第一節(jié) 引言685 第二節(jié) 生物分子自組裝686 一、生物分子自組裝的發(fā)展現(xiàn)狀686 二、分子組裝的功能設計686 三、分子組裝的調(diào)控多樣性687 第三節(jié) 擁擠現(xiàn)象687 一、擁擠現(xiàn)象的理論模型687 二、擁擠現(xiàn)象與生物表型的相關性688 第四節(jié) 生物分子相互作用及信號傳導688 一、DNA與蛋白質之間的相互作用688 二、RNA與蛋白質之間的相互作用689 三、核酸與核酸之間的相互作用690 四、蛋白質與蛋白質相互作用研究690 第五節(jié) 生物分子網(wǎng)絡692 一、基于生物分子網(wǎng)絡的疾病基因和生物標記物識別692 二、基于生物分子網(wǎng)絡的生物系統(tǒng)動力學研究693 第六節(jié) 網(wǎng)絡藥理學694 一、基于分子網(wǎng)絡的多靶點藥物和藥物組合預測694 二、基于分子網(wǎng)絡的藥物重新定位696 第七節(jié) 展望697 第九章 藥物設計與開發(fā)701 第一節(jié) 引言701 第二節(jié) 分子對接701 第三節(jié) 打分函數(shù)703 第四節(jié) 藥效團、結構活性關系704 第五節(jié) 藥物治療的微觀作用機理705 第六節(jié) 藥物設計中的化學信息學707 第七節(jié) 藥代動力學性質和毒性預測709 第八節(jié) 藥物設計新思路710 附錄關于建立“計算化學軟件平臺專項”的建議714 關鍵詞索引726
摘要
一、回顧理論與計算化學發(fā)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(jīng)驗,被看成是純實驗科學。通過不斷吸納物理學和數(shù)學的理論成果,利用計算科學發(fā)展產(chǎn)出的強大計算能力,構建自身的理論體系,用于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(fā)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(xiàn)象。第二階段,吸納物理學中熱力學和統(tǒng)計力學的成果,建立化學熱力學和化學統(tǒng)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(fā)展。運用統(tǒng)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(shù)學成果,逐步向掌握化學變化定量規(guī)律的目標邁進;分子模擬逐漸成為研究復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(fā)現(xiàn)有指定用途化學新物質的有效途徑。 學科發(fā)展歷程表明,理論與計算化學發(fā)展的推動力首先源于化學整體向前發(fā)展的要求,理論與實驗研究伴生并行,相互促進。其次也源于理論與計算學科自身發(fā)展的需要,即發(fā)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(shù)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于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(xù)向前發(fā)展。 二、概述學科現(xiàn)狀、分析發(fā)展趨勢 化學進入發(fā)展的新階段,逐步發(fā)展為依靠實驗、計算、理論三方面協(xié)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復雜體系結構和運動過程的數(shù)學模擬成為可能。近年來理論與計算化學的進步主要表現(xiàn)在兩個方面:研究對象從簡化模型向真實復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(fā)展趨勢與顯現(xiàn)的特征是:理論分析與計算模型力求逼近復雜的真實化學體系和過程;研究重心從靜態(tài)結構逐步轉向動態(tài)過程,從簡單基元過程擴展到多種過程耦合;闡明與生命現(xiàn)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系的理論研究;對計算精度的要求進一步提高,建立新理論模型、發(fā)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(fā)展能計算巨大體系和模擬復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(tài);理論與計算研究正在逐步進入產(chǎn)業(yè)部門。 三、展望學科前景,指出面臨的難題 學科發(fā)展新階段——躍上新臺階的標志:在質的方面表現(xiàn)為科學水平的提高。理論與計算方法將具備處理更復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(xiàn)為發(fā)揮作用范圍擴大,研究人員采用實驗與理論計算緊密配合互動的工作方式將成為常態(tài)。 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(jù),只能作為佐證或者旁證。對于復雜體系的研究,結果與實驗不一致時,無法判斷是物理模型有缺陷還是數(shù)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于兼顧,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(tǒng)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(xiàn)有計算機難以勝任。發(fā)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(fā)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(diào)重視有關學科發(fā)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(jù),為實驗研究預測發(fā)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(tǒng)計力學、微觀反應機理和反應動態(tài)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(fā)展思路,建議采取相應戰(zhàn)略性措施 強化理論與計算化學與數(shù)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(nèi)培養(yǎng);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(fā)展的資助機制與政策的八項具體建議 鑒于目前沒有一個公共計算化學軟件平臺嚴重影響我國理論與計算化學發(fā)展速度,項目組提出《關于建立“計算化學軟件平臺專項”的建議》
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