人類發(fā)現(xiàn)物質(zhì)化學(xué)變化導(dǎo)致性質(zhì)變化可以利用，便開始研究化學(xué)變化，早期主要依靠實驗探索，是獨立于數(shù)學(xué)和物理學(xué)而發(fā)展起來的?；瘜W(xué)家從依靠直接的觀察、總結(jié)經(jīng)驗開始，逐步將積累的知識系統(tǒng)化，建立起初步的理論。在此基礎(chǔ)上吸納物理和數(shù)學(xué)理論成果形成理論與計算化學(xué)。

目前理論與計算化學(xué)學(xué)科存在量子化學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)及化學(xué)信息學(xué)四個主要發(fā)展方向。量子化學(xué)運(yùn)用量子力學(xué)原理，研究化學(xué)體系的狀態(tài)———原子核空間構(gòu)型和電子結(jié)構(gòu)，以及體系狀態(tài)隨時間變化的過程，闡明體系性質(zhì)及其變化規(guī)律的微觀本質(zhì)；化學(xué)動力學(xué)理論研究化學(xué)變化過程中體系在不同微觀狀態(tài)之間的布居與躍遷，揭示化學(xué)變化的動態(tài)細(xì)節(jié)特征；統(tǒng)計力學(xué)理論研究具有極多變量體系的性質(zhì)與運(yùn)動規(guī)律，闡明化學(xué)體系的微觀狀態(tài)與宏觀性質(zhì)之間的聯(lián)系；化學(xué)信息學(xué)則通過獲取大量實驗數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析、歸納，提煉出實驗數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的有用信息及其規(guī)律性。

從學(xué)科發(fā)展的趨勢上看，理論與計算化學(xué)的幾個傳統(tǒng)方向之間的聯(lián)系正日趨緊密。一方面，為了與實驗觀測直接比較，動力學(xué)理論中的關(guān)鍵參數(shù)需要由量子化學(xué)計算提供，如分子勢能面、量子態(tài)之間的耦合強(qiáng)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(biāo)變量的含時量子力學(xué)方程；另一方面，隨著化學(xué)理論研究對象越來越復(fù)雜，特別是對生物體系的相關(guān)研究，需要吸收信息科學(xué)研究成果，充分結(jié)合統(tǒng)計力學(xué)理論、化學(xué)信息學(xué)，以及運(yùn)用新興的大數(shù)據(jù)處理與機(jī)器學(xué)習(xí)方法，以有效發(fā)掘大量實驗與計算數(shù)據(jù)中的內(nèi)在規(guī)律。通過相關(guān)理論的交叉融合，理論與計算化學(xué)將逐漸形成基于量子力學(xué)理論的方法和基于統(tǒng)計力學(xué)理論的方法兩大分支。

研究內(nèi)容包括發(fā)展基礎(chǔ)理論與相關(guān)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(xué)和其他有關(guān)領(lǐng)域中的問題。

一、 學(xué)科整體的重要研究前沿與關(guān)鍵科學(xué)問題

理論與計算化學(xué)包含發(fā)展理論與計算方法的基礎(chǔ)性研究和研究具體科學(xué)問題的應(yīng)用性研究兩大方向。

在理論與計算化學(xué)基礎(chǔ)性研究中，根據(jù)學(xué)科整體發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn)性難題，關(guān)鍵科學(xué)問題聚焦在以下七個方面。

（１）描述電子運(yùn)動的相關(guān)作用，發(fā)展精確、高效穩(wěn)健的描述大體系和強(qiáng)相關(guān)體系中電子相關(guān)的理論方法。

（２）化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與激發(fā)態(tài)演化動態(tài)學(xué)，包括熱化學(xué)反應(yīng)，特別是催化反應(yīng)機(jī)理，光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，以及與激發(fā)態(tài)隨時間演化的諸多過程。

（３）非平衡態(tài)到平衡態(tài)的演化，包括一般性規(guī)律和微觀演化過程。

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

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

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

（７）化學(xué)體系研究中的大數(shù)據(jù)技術(shù)，包括電子結(jié)構(gòu)和凝固相對原子空間排列計算中甚大參數(shù)空間的優(yōu)化等問題。

理論與計算化學(xué)發(fā)揮推動化學(xué)及其相關(guān)科學(xué)發(fā)展的作用，是通過應(yīng)用理論計算方法研究各學(xué)科中具體問題實現(xiàn)的，因此必須強(qiáng)調(diào)應(yīng)用理論與計算方法研究具體科學(xué)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(xué)科領(lǐng)域重要科學(xué)問題種類繁多，而且在基礎(chǔ)研究中的突破性進(jìn)展經(jīng)常是出人意料的，因此難以預(yù)測理論與計算化學(xué)在應(yīng)用性研究方面的重點發(fā)展方向。我們只能強(qiáng)調(diào)理論與計算化學(xué)研究必須時刻注視有關(guān)學(xué)科發(fā)展前沿，選擇具體研究對象和重要科學(xué)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(fā)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(guī)律；同時要重視以物理學(xué)基本原理為依據(jù)，為實驗研究預(yù)測發(fā)展新方向和新領(lǐng)域。具體研究方向顯然是要隨著化學(xué)與相關(guān)學(xué)科的發(fā)展而不斷變化的。

理論與計算化學(xué)涵蓋的范圍很廣，不同分支學(xué)科發(fā)展前沿情況不同，發(fā)展趨勢有別，關(guān)鍵科學(xué)問題和解決問題的可能途徑均差別相當(dāng)大。為進(jìn)一步將上述關(guān)鍵科學(xué)問題和重要研究前沿闡述清楚，需要對理論與計算化學(xué)的各分支學(xué)科分別進(jìn)行論述。

從發(fā)展歷史和現(xiàn)狀看，理論與計算化學(xué)包含五個方面，可以用以下五個專題概括：

（１）電子結(jié)構(gòu)理論與計算方法；

（２）化學(xué)中的統(tǒng)計力學(xué)；

（３）微觀反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)動態(tài)學(xué)；

（４）材料科學(xué)中的問題；

（５）生命科學(xué)與藥物化學(xué)中的問題。

其中第一和第二專題為基礎(chǔ)理論，第三、第四、第五專題為基礎(chǔ)理論和計算方法在當(dāng)前化學(xué)研究工作集中領(lǐng)域的應(yīng)用。我們在每個專題中設(shè)立若干個主題，圍繞專題涵蓋的科學(xué)問題展開發(fā)展戰(zhàn)略研究。各主題總結(jié)其發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，展望發(fā)展前景，提出關(guān)鍵科學(xué)問題及可能的解決途徑。

二、各分支學(xué)科核心科學(xué)問題與研究前沿

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

（一）電子結(jié)構(gòu)理論與計算方法

１． 核心科學(xué)問題

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

２． 重要研究前沿

（１）近簡并基態(tài)和激發(fā)態(tài)電子結(jié)構(gòu)的計算方法。強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系、長程電子相關(guān)和自旋相關(guān)問題。

（２）進(jìn)一步發(fā)展相對成熟的方法，如ＣＩ、ＣＣ、ＶＢ、ＭＢＰＴ、ＤＦＴ 等，特別是繼續(xù)發(fā)展應(yīng)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(tài)相關(guān)的泛函；激發(fā)態(tài)與開放體系處理方法）。

（３）發(fā)展?jié)u趨成熟的方法，如ＱＭＣ、ＲＱＣ、ＧＦ、ＧＷ、ＤＭＲＧ、ＤＭ等，特別是發(fā)展計算結(jié)果能作為可靠獨立判據(jù)的ＱＭＣ方法，以及正在發(fā)展中的ＲＱＣ方法。

（４）發(fā)展精度可控的大體系全局高精度計算方法以及考慮到環(huán)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(xué)中的統(tǒng)計力學(xué)

１． 核心科學(xué)問題

非平衡統(tǒng)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(tǒng)計力學(xué)基礎(chǔ)理論：從動力學(xué)過程到統(tǒng)計平衡的基礎(chǔ)理論探討。發(fā)展研究實際過程的有效耗散理論和計算手段。

（２）非平衡態(tài)演化過程的動力學(xué)與統(tǒng)計力學(xué)研究?？朔肿觿恿W(xué)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(shù)據(jù)分析等方面的協(xié)同發(fā)展。

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

（４）統(tǒng)計力學(xué)方法在材料研究、表面吸附和化學(xué)反應(yīng)等研究中涉及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、構(gòu)象取樣等問題的應(yīng)用。

（三）微觀反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)動態(tài)學(xué)

１． 核心科學(xué)問題

非絕熱過程、環(huán)境效應(yīng)、催化反應(yīng)機(jī)理與催化劑設(shè)計；激發(fā)態(tài)計算，在勢能面突變或者交叉區(qū)域非絕熱躍遷過程，超越Ｂ-Ｏ近似的計算，環(huán)境對化學(xué)動態(tài)過程影響。

２． 重要研究前沿

（１）常規(guī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與動態(tài)學(xué)：對化學(xué)基礎(chǔ)問題有重要意義的光化學(xué)與熱化學(xué)典型反應(yīng)，特別是重要的催化反應(yīng)。

（２）準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)：弱相互作用與自組裝機(jī)理，分子聚集體和納米顆粒形成機(jī)理和動力學(xué)。

（３）非常規(guī)條件下的反應(yīng)：高溫、高壓、開放高速流動氣相體系。

（４）分析總結(jié)實驗與理論研究結(jié)果，歸納一般性規(guī)律、發(fā)展化學(xué)反應(yīng)新概念和理論。

（四）材料科學(xué)中的問題

１． 核心科學(xué)問題

復(fù)雜體系的結(jié)構(gòu)預(yù)測；材料功能的微觀定量描述；系統(tǒng)狀態(tài)的非平衡、非絕熱演化。

２． 重要研究前沿

（１）復(fù)雜體系結(jié)構(gòu)的確定———采用普適數(shù)學(xué)全局優(yōu)化算法，注意借助數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等信息處理技術(shù)利用已有結(jié)構(gòu)信息。

（２）復(fù)雜體系的激發(fā)態(tài)演化動力學(xué)，非絕熱演化過程，特別是量子系統(tǒng)的動力學(xué)過程（內(nèi)轉(zhuǎn)換、電子核運(yùn)動耦合、光學(xué)發(fā)射、非絕熱弛豫、量子耗散等）。

（３）發(fā)展動力學(xué)模擬方法，結(jié)合統(tǒng)計力學(xué)，自洽處理多尺度耦合，研究宏觀時間尺度下材料的生長機(jī)理；包括固相形成動力學(xué)，特別是溶液中固相的形成機(jī)理。

（４）前瞻性創(chuàng)新研究，根據(jù)基本物理原理，提出新的概念，設(shè)計全新性能的材料。

（五）生命科學(xué)與藥物化學(xué)問題

１． 核心科學(xué)問題

發(fā)展可靠的分子力場；宏觀空間尺度和時間尺度的動力學(xué)模擬方法；模擬可靠性分析，闡明體系動態(tài)變化與觀察到的生命現(xiàn)象的聯(lián)系。

２． 重要研究前沿

（１）發(fā)展準(zhǔn)確、高效分子力場，可靠模擬生物分子的動力學(xué)過程。

（２）結(jié)合經(jīng)驗型、知識型和分子力場的方法來可靠預(yù)測蛋白質(zhì)和其他生物大分子的結(jié)構(gòu)。

（３）發(fā)展結(jié)合自由能的可靠預(yù)測和計算方法，模擬生物大分子之間相互作用形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)；建立生物分子相互作用的網(wǎng)絡(luò)模型以模擬生物過程，進(jìn)而實施對整個細(xì)胞內(nèi)生物過程的動力學(xué)模擬。

（４）研發(fā)系統(tǒng)性藥物分子設(shè)計方法，闡明藥物與靶點作用的機(jī)理。

本文摘編自國家自然科學(xué)基金委員會，中國科學(xué)院編《中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略·理論與計算化學(xué)》總論，內(nèi)容有刪減。

中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略·理論與計算化學(xué)

國家自然科學(xué)基金委員會，中國科學(xué)院編

責(zé)任編輯：朱萍萍　寧　倩

ISBN 9787030489197

《中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略·理論與計算化學(xué)》回顧了理論與計算化學(xué)發(fā)展的歷程，揭示了學(xué)科交叉的重要性以及化學(xué)理論的發(fā)展對整個化學(xué)進(jìn)步的巨大推動作用; 分析了國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，展望了前景和面臨的難題。提出了發(fā)展思路和戰(zhàn)國家科學(xué)思想庫略性措施，建議了促進(jìn)學(xué)科發(fā)展的資助機(jī)制與政策。對學(xué)科涵蓋的電子結(jié)構(gòu)理論與計算方法、化學(xué)中的統(tǒng)計力學(xué)、微觀反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)動態(tài)學(xué)、材料科學(xué)中的問題、 生命科學(xué)與藥物化學(xué)中的問題五個專題中的關(guān)鍵科學(xué)問題和重要前沿研究方向進(jìn)行了深入探索和討論。

（本期編輯：安 靜）