人類發現物質化學變化導致性質變化可以利用，便開始研究化學變化，早期主要依靠實驗探索，是獨立于數學和物理學而發展起來的。化學家從依靠直接的觀察、總結經驗開始，逐步將積累的知識系統化，建立起初步的理論。在此基礎上吸納物理和數學理論成果形成理論與計算化學。

目前理論與計算化學學科存在量子化學、化學動力學、統計力學及化學信息學四個主要發展方向。量子化學運用量子力學原理，研究化學體系的狀態———原子核空間構型和電子結構，以及體系狀態隨時間變化的過程，闡明體系性質及其變化規律的微觀本質；化學動力學理論研究化學變化過程中體系在不同微觀狀態之間的布居與躍遷，揭示化學變化的動態細節特征；統計力學理論研究具有極多變量體系的性質與運動規律，闡明化學體系的微觀狀態與宏觀性質之間的聯系；化學信息學則通過獲取大量實驗數據，并對數據進行整理、分析、歸納，提煉出實驗數據蘊含的有用信息及其規律性。

從學科發展的趨勢上看，理論與計算化學的幾個傳統方向之間的聯系正日趨緊密。一方面，為了與實驗觀測直接比較，動力學理論中的關鍵參數需要由量子化學計算提供，如分子勢能面、量子態之間的耦合強度等，甚至越過 Born-Oppenheimer 近似，直接求解包含體系原子核和電子坐標變量的含時量子力學方程；另一方面，隨著化學理論研究對象越來越復雜，特別是對生物體系的相關研究，需要吸收信息科學研究成果，充分結合統計力學理論、化學信息學，以及運用新興的大數據處理與機器學習方法，以有效發掘大量實驗與計算數據中的內在規律。通過相關理論的交叉融合，理論與計算化學將逐漸形成基于量子力學理論的方法和基于統計力學理論的方法兩大分支。

研究內容包括發展基礎理論與相關的計算方法和計算軟件，以及將理論與計算方法用于研究化學和其他有關領域中的問題。

一、 學科整體的重要研究前沿與關鍵科學問題

理論與計算化學包含發展理論與計算方法的基礎性研究和研究具體科學問題的應用性研究兩大方向。

在理論與計算化學基礎性研究中，根據學科整體發展趨勢和面臨的挑戰性難題，關鍵科學問題聚焦在以下七個方面。

（１）描述電子運動的相關作用，發展精確、高效穩健的描述大體系和強相關體系中電子相關的理論方法。

（２）化學反應機理與激發態演化動態學，包括熱化學反應，特別是催化反應機理，光化學反應機理，以及與激發態隨時間演化的諸多過程。

（３）非平衡態到平衡態的演化，包括一般性規律和微觀演化過程。

（４）體系與環境的耦合，如溶劑對化學過程的影響，環境對材料物理性能的影響等。

（５）復雜體系多尺度模擬方法，涉及合理力場的構建、超大體系和／或超長時間的動力學模擬方法。

（６）異相成核與生長動力學，包括純化合物體系和復雜的溶液、熔鹽體系中的成核和成長過程。

（７）化學體系研究中的大數據技術，包括電子結構和凝固相對原子空間排列計算中甚大參數空間的優化等問題。

理論與計算化學發揮推動化學及其相關科學發展的作用，是通過應用理論計算方法研究各學科中具體問題實現的，因此必須強調應用理論與計算方法研究具體科學問題的重要性。但理論與計算方法可以研究的問題范圍很寬，各學科領域重要科學問題種類繁多，而且在基礎研究中的突破性進展經常是出人意料的，因此難以預測理論與計算化學在應用性研究方面的重點發展方向。我們只能強調理論與計算化學研究必須時刻注視有關學科發展前沿，選擇具體研究對象和重要科學問題，與實驗研究緊密配合互動開展工作，針對問題的特殊性發展理論和計算方法，提出新理論模型、新概念，揭示未知自然規律；同時要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。具體研究方向顯然是要隨著化學與相關學科的發展而不斷變化的。

理論與計算化學涵蓋的范圍很廣，不同分支學科發展前沿情況不同，發展趨勢有別，關鍵科學問題和解決問題的可能途徑均差別相當大。為進一步將上述關鍵科學問題和重要研究前沿闡述清楚，需要對理論與計算化學的各分支學科分別進行論述。

從發展歷史和現狀看，理論與計算化學包含五個方面，可以用以下五個專題概括：

（１）電子結構理論與計算方法；

（２）化學中的統計力學；

（３）微觀反應機理和反應動態學；

（４）材料科學中的問題；

（５）生命科學與藥物化學中的問題。

其中第一和第二專題為基礎理論，第三、第四、第五專題為基礎理論和計算方法在當前化學研究工作集中領域的應用。我們在每個專題中設立若干個主題，圍繞專題涵蓋的科學問題展開發展戰略研究。各主題總結其發展歷史和現狀，展望發展前景，提出關鍵科學問題及可能的解決途徑。

二、各分支學科核心科學問題與研究前沿

下面對五個專題中的核心科學問題和重要研究前沿作簡要介紹。核心科學問題指專題內各主題的共性關鍵科學問題，其研究的突破性進展將有助于各主題的研究水平踏上新臺階。

（一）電子結構理論與計算方法

１． 核心科學問題

電子相關作用的高效率處理方法，特別是針對靜態—動態相關共存體系的方法；計算結果誤差的可靠估計方法。

２． 重要研究前沿

（１）近簡并基態和激發態電子結構的計算方法。強關聯體系、長程電子相關和自旋相關問題。

（２）進一步發展相對成熟的方法，如ＣＩ、ＣＣ、ＶＢ、ＭＢＰＴ、ＤＦＴ 等，特別是繼續發展應用很廣的ＤＦＴ方法（尋找更好的近似密度泛函，特別是處理非動態相關的泛函；激發態與開放體系處理方法）。

（３）發展漸趨成熟的方法，如ＱＭＣ、ＲＱＣ、ＧＦ、ＧＷ、ＤＭＲＧ、ＤＭ等，特別是發展計算結果能作為可靠獨立判據的ＱＭＣ方法，以及正在發展中的ＲＱＣ方法。

（４）發展精度可控的大體系全局高精度計算方法以及考慮到環境對體系的一般性影響和特殊相互作用的局部高精度計算方法。

（二）化學中的統計力學

１． 核心科學問題

非平衡統計理論；高效分子模擬方法；獲取體系宏觀信息。

２． 重要研究前沿

（１）統計力學基礎理論：從動力學過程到統計平衡的基礎理論探討。發展研究實際過程的有效耗散理論和計算手段。

（２）非平衡態演化過程的動力學與統計力學研究。克服分子動力學模擬中體系的時間、空間多尺度性帶來的困難。在精度可控的多尺度理論方法和大數據分析等方面的協同發展。

（３）凝聚相統計力學和動力學研究，非平衡量子動力學，多體化學與物理過程的量子效應。生命體系和軟物質、材料體系中的非平衡動力學性質。凝聚相化學過程中環境與主系統的統計性耦合。

（４）統計力學方法在材料研究、表面吸附和化學反應等研究中涉及結構優化、構象取樣等問題的應用。

（三）微觀反應機理和反應動態學

１． 核心科學問題

非絕熱過程、環境效應、催化反應機理與催化劑設計；激發態計算，在勢能面突變或者交叉區域非絕熱躍遷過程，超越Ｂ-Ｏ近似的計算，環境對化學動態過程影響。

２． 重要研究前沿

（１）常規化學反應機理與動態學：對化學基礎問題有重要意義的光化學與熱化學典型反應，特別是重要的催化反應。

（２）準化學反應：弱相互作用與自組裝機理，分子聚集體和納米顆粒形成機理和動力學。

（３）非常規條件下的反應：高溫、高壓、開放高速流動氣相體系。

（４）分析總結實驗與理論研究結果，歸納一般性規律、發展化學反應新概念和理論。

（四）材料科學中的問題

１． 核心科學問題

復雜體系的結構預測；材料功能的微觀定量描述；系統狀態的非平衡、非絕熱演化。

２． 重要研究前沿

（１）復雜體系結構的確定———采用普適數學全局優化算法，注意借助數據挖掘、人工智能等信息處理技術利用已有結構信息。

（２）復雜體系的激發態演化動力學，非絕熱演化過程，特別是量子系統的動力學過程（內轉換、電子核運動耦合、光學發射、非絕熱弛豫、量子耗散等）。

（３）發展動力學模擬方法，結合統計力學，自洽處理多尺度耦合，研究宏觀時間尺度下材料的生長機理；包括固相形成動力學，特別是溶液中固相的形成機理。

（４）前瞻性創新研究，根據基本物理原理，提出新的概念，設計全新性能的材料。

（五）生命科學與藥物化學問題

１． 核心科學問題

發展可靠的分子力場；宏觀空間尺度和時間尺度的動力學模擬方法；模擬可靠性分析，闡明體系動態變化與觀察到的生命現象的聯系。

２． 重要研究前沿

（１）發展準確、高效分子力場，可靠模擬生物分子的動力學過程。

（２）結合經驗型、知識型和分子力場的方法來可靠預測蛋白質和其他生物大分子的結構。

（３）發展結合自由能的可靠預測和計算方法，模擬生物大分子之間相互作用形成的復合結構；建立生物分子相互作用的網絡模型以模擬生物過程，進而實施對整個細胞內生物過程的動力學模擬。

（４）研發系統性藥物分子設計方法，闡明藥物與靶點作用的機理。

本文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》總論，內容有刪減。

中國學科發展戰略·理論與計算化學

國家自然科學基金委員會，中國科學院編

責任編輯：朱萍萍　寧　倩

ISBN 9787030489197

《中國學科發展戰略·理論與計算化學》回顧了理論與計算化學發展的歷程，揭示了學科交叉的重要性以及化學理論的發展對整個化學進步的巨大推動作用; 分析了國內外現狀和發展趨勢，展望了前景和面臨的難題。提出了發展思路和戰國家科學思想庫略性措施，建議了促進學科發展的資助機制與政策。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、 生命科學與藥物化學中的問題五個專題中的關鍵科學問題和重要前沿研究方向進行了深入探索和討論。

（本期編輯：安 靜）