廣告熟悉中國科學院院士、中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）副校長楊金龍的師生們都知道，他有個特別的愛好——拍攝花朵。到目前為止，他已經(jīng)認識了500多種花。
“科學就像花一樣，是一種很美的東西。如果這種美的東西我不知道，我一定會想辦法認識它、了解它。”楊金龍說，這與做科研的樂趣發(fā)現(xiàn)新東西，有共通之感。
從凝聚態(tài)物理到量子化學研究再到計算機科學，多年來，楊金龍始終在發(fā)現(xiàn)新知識，解決新問題。日前，他獲得第三屆“全國創(chuàng)新爭先獎”。
楊金龍在理論與計算化學實驗室徐國康攝
楊金龍拍攝的大麗花楊金龍攝
理論與計算先行
多數(shù)人眼中，做化學研究的人總是泡在實驗室，將各種溶液在試管里倒來倒去，在不斷試錯的過程中變出新東西。這正是傳統(tǒng)化學研究的真實寫照。
從上世紀開始，隨著計算機技術的迅猛發(fā)展與廣泛應用，理論與計算化學的研究有了飛躍的進展，其結(jié)果使整個化學界發(fā)生著一場革命性的變化。化學不再是純實驗科學。
“我的工作就是通過發(fā)展新理論和新方法，利用計算機計算和模擬對化學中的重要科學問題開展研究，提供理論預測或?qū)嶒灲忉?。”楊金龍舉例說，比如合成一種催化劑，依靠人工實驗是不可能窮盡幾千萬種材料。但采用計算的方法就可以大規(guī)模篩選出合適的材料。所以大部分時間里，他都坐在辦公室，在電腦上進行工作。
電子結(jié)構(gòu)計算是理論與計算化學的基礎。我國是超級計算機最強的國家之一，但是計算軟件卻遠遠落后于超算硬件的發(fā)展?！拔覀兿Ｍ炎灾餮邪l(fā)的軟件，有效應用到國產(chǎn)超級計算機上，充分發(fā)揮出強大的計算能力?！睏罱瘕堈f。
多年來，楊金龍發(fā)展了系列線性標度的電子結(jié)構(gòu)方法，開發(fā)了自主知識產(chǎn)權(quán)的大規(guī)模電子結(jié)構(gòu)計算通用程序包。例如，針對國產(chǎn)超級計算機的算法和程序優(yōu)化，首次在神威·太湖之光超級計算機實現(xiàn)了千萬核心并行第一性原理計算模擬。2021年5月，習近平總書記在兩院院士大會上的重要講話中，將該成果列為我國在戰(zhàn)略高技術領域取得的10項新跨越成果之一。
“這相當于給科學家們提供了一個強大的計算模擬工具，可以更準確地研究材料的性質(zhì)和行為?！睏罱瘕堈f。
薛定諤方程作為量子力學最重要的方程，一直備受關注。受近期非?；鸨娜斯ぶ悄蹸hatGPT啟發(fā)，楊金龍帶領團隊正在構(gòu)建一種大參數(shù)模型，嚴格求解薛定諤方程。
“一旦求解出薛定諤方程，便可了解微觀物質(zhì)的性質(zhì)。換句話說，就可以知道化學反應的結(jié)果。”楊金龍說，這是一項激動人心的工作。
量子計算機有望大大提高電子結(jié)構(gòu)計算的效率。對此，楊金龍也早有布局：一方面，積極發(fā)展計算方法，假設量子計算機存在了，將現(xiàn)有的普通超算方法“移植”到量子計算機上，為量子計算機時代的量子化學打好基礎；另一方面，尋找一個特定體系，即在經(jīng)典計算機做不了或者非常難解決的、但在量子計算機上很快解決的問題，為未來量子計算機在材料領域的應用奠定基礎。
楊金龍與研究生交流探討實驗數(shù)據(jù)徐國康攝
“自由自在”操縱單分子
在單分子水平上研究化學的基本規(guī)律是當今化學的前沿之一。對單個分子的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)進行直接觀測、操縱和理論表征，是單分子科學的重要研究基礎，它對化學的深層次發(fā)展和未來直接人工改造分子具有重大意義。
早在1959年，諾貝爾物理學獎獲得者理查德·費曼在一次演講中就提到，“如果有一天，可以按人的意志安排一個原子和分子，將會產(chǎn)生什么樣的奇跡？”
多年來，楊金龍始終與分子、原子打交道。通過理論建模與數(shù)值計算，發(fā)展了一套先進的理論模擬方法，如掃描隧道顯微鏡（STM）圖像快速模擬，并與中國科大的STM實驗研究者緊密合作，系統(tǒng)研究了表面單分子的特性。
2001年，“拍攝”能夠分辨碳60化學鍵的單分子圖像，世界首次成功直接觀察到分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；2005年，對吸附于金屬表面的鈷酞菁分子進行“單分子手術”，世界首次實現(xiàn)單分子自旋態(tài)控制；2013年，將具有化學識別能力的空間成像分辨率提高到0.5納米，世界首次實現(xiàn)亞納米分辨的單分子光學拉曼成像……成果多次入選兩院院士評選的年度“中國十大科技進展新聞”。
目前，集成電路的器件已經(jīng)做到了幾個納米的尺度。但站在量子力學的角度，楊金龍希望這些器件最終極限是單個分子甚至單個原子。
“如果真能夠把分子做成電子器件，一旦通電后，最大的問題就是發(fā)熱。如何描述單個分子的熱狀態(tài)？”楊金龍解釋說，溫度是宏觀上的統(tǒng)計概念，微觀上沒有相關定義。試著想象一下，要在上百萬億個單分子器件中測量某個單分子器件的溫度并作出解釋，其難度不言而喻。
采訪中，楊金龍告訴《中國科學報》，這些都是在量子化學層面會出現(xiàn)的問題，眼下他們正在開展相關研究。
“我們希望像醫(yī)生一樣，有一把手術刀，‘自由自在’對分子進行裁剪、嫁接，變成我們想要的東西。”楊金龍說，這是一個美妙的場景，未來還有非常長遠的路要走。
楊金龍為學生講解密度泛函理論的優(yōu)點和缺點徐國康攝
多學科交叉碰撞智慧火花
能源危機和環(huán)境污染已成為當今世界所面臨的兩大難題，影響著人類的生活與生產(chǎn)。在楊金龍看來，解決以上兩大難題，化學家們可以做并且正在做的事情非常多。
太陽能是一種取之不盡用之不竭的可再生能源。而利用太陽光分解水制氫，為人類提供清潔能源，被譽為化學的“圣杯”。
對此，楊金龍?zhí)岢鎏柟夥纸馑茪湫滤悸?，大大擴展了太陽能轉(zhuǎn)化為化學能中可利用的太陽光頻譜范圍，有望對未來新能源技術發(fā)展產(chǎn)生重要影響。
“我的大部分研究都屬于基礎研究，但另一方面，用自己發(fā)展的方法，來解決國民經(jīng)濟相關技術難題，也是我們努力的方向?！睏罱瘕埍硎?。
楊金龍的研究團隊有這樣一種現(xiàn)象——成員的專業(yè)背景非常多樣化，有的人學物理，有的人學材料科學，還有的人學計算機科學。事實上，這是他多年來做研究的“心得”——不同領域的專業(yè)知識相結(jié)合可以帶來豐富的想法和創(chuàng)新，碰撞出智慧的火花。而且科學研究的重大突破，大多發(fā)生在學科交叉前沿。
楊金龍?zhí)寡?，做基礎研究，經(jīng)常會陷入“思維局限”困境中，此時就需要跳出來，看看更廣泛的研究領域，或許會產(chǎn)生新的靈感。“像中國科大本身的土壤就很好，這里有很多年輕的科研人員，每個人都有自己的研究方向，他們經(jīng)常在一起交流、討論，這其實就是一個學科交叉融合的過程，在這個過程中會發(fā)現(xiàn)新的問題、新的發(fā)展點。”
科技創(chuàng)新對于社會的發(fā)展至關重要，它能夠帶來新的機遇、挑戰(zhàn)和變革，助力實現(xiàn)我國高水平科技自立自強。“我希望更多的年輕人走上科技創(chuàng)新的道路，為國家的發(fā)展貢獻自己的力量。”楊金龍說。
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