專訪中國(guó)理論與計(jì)算化學(xué)領(lǐng)軍人物：2019年新科院士楊金龍

《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》編輯部

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

從上世紀(jì)開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展與廣泛應(yīng)用，理論與計(jì)算化學(xué)的研究有了飛躍的進(jìn)展，其結(jié)果使整個(gè)化學(xué)界發(fā)生著一場(chǎng)革命性的變化?；瘜W(xué)不再是純實(shí)驗(yàn)科學(xué)，理論與計(jì)算化學(xué)占據(jù)了化學(xué)學(xué)科的半壁江山，理論、計(jì)算與實(shí)驗(yàn)工作的協(xié)同合作有效提高了研究效率。當(dāng)前中國(guó)的理論與計(jì)算化學(xué)處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，國(guó)內(nèi)近年來涌現(xiàn)出了一批中青年學(xué)者活躍在國(guó)際學(xué)術(shù)界。我們很榮幸對(duì)中國(guó)理論與計(jì)算化學(xué)的領(lǐng)軍人物，《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》副主編楊金龍?jiān)菏窟M(jìn)行了專訪。楊院士講述了自己的科研故事，分析了中國(guó)理論與計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，并為年輕的學(xué)者們提出了中肯的治學(xué)建議，相信對(duì)讀者們會(huì)有所啟迪。

問題1：楊院士，首先祝賀您當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士。獲得這一榮譽(yù)，您有什么樣的感受？

回答：我很高興能夠獲得這一榮譽(yù)，這是國(guó)家對(duì)我以前科研工作的一種肯定。獲得這一榮譽(yù)，我要感謝前輩、師長(zhǎng)、同事和家人長(zhǎng)期以來對(duì)我的支持和幫助，同時(shí)我也感到更多的責(zé)任、動(dòng)力和壓力。國(guó)家給了院士很高的榮譽(yù)，我在今后工作中要更加努力，為我們國(guó)家科學(xué)事業(yè)的發(fā)展做更多的貢獻(xiàn)。

問題2：請(qǐng)簡(jiǎn)單介紹一下您的研究領(lǐng)域和研究經(jīng)歷。

回答：我的研究領(lǐng)域是理論與計(jì)算化學(xué)，通過發(fā)展新理論和新方法，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算和模擬對(duì)化學(xué)中的重要科學(xué)問題開展研究。主要研究方向包括精確高效的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法發(fā)展、新型功能材料理論設(shè)計(jì)、表面單分子體系量子行為表征等方面。我研究生階段在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)基礎(chǔ)物理中心主要是對(duì)一些凝聚態(tài)材料體系開展電子結(jié)構(gòu)研究。后來，加入中國(guó)科學(xué)院選鍵化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室后，與掃描隧道電子顯微鏡(STM)實(shí)驗(yàn)組合作，開展了許多表面單分子表征與操控方面的研究，例如表面C60分子取向識(shí)別以及通過STM操控單分子脫氫調(diào)控近藤共振等。與此同時(shí)，我們也一直從事線性標(biāo)度電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法發(fā)展方面的研究。我們發(fā)展了一系列的算法，可以高效地計(jì)算電場(chǎng)中的體系、前線軌道以及在周期性體系中進(jìn)行高效的雜化密度泛函計(jì)算等。目前我們已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通用電子結(jié)構(gòu)計(jì)算程序包HONPAS。另外，我們通過計(jì)算模擬，設(shè)計(jì)了許多功能材料，例如可以應(yīng)用于自旋電子學(xué)的半極金屬。我們注重在材料設(shè)計(jì)的過程中提出新的概念，實(shí)現(xiàn)源頭創(chuàng)新，例如我們提出雙極磁性半導(dǎo)體的概念，可以方便地通過外加電場(chǎng)改變磁極化方向；提出通過內(nèi)建電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)紅外光光解水，大大提高了太陽(yáng)能利用的頻譜范圍。

問題3：在科研的道路上有哪些重要的人影響了您？

回答：首先是我的研究生導(dǎo)師汪克林教授，雖然我研究生階段的科研方向并不是汪老師主要的研究方向，但是汪老師對(duì)科學(xué)的熱愛、對(duì)真理的追求，以及他對(duì)學(xué)生的關(guān)懷、放手讓學(xué)生嘗試各種想法的寬容都深深地影響了我的科研和我自己帶研究生的方式。另外兩位是朱清時(shí)院士和侯建國(guó)院士，朱老師遠(yuǎn)見卓識(shí)，率先在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)推動(dòng)表面單分子方面的研究，也是朱老師促成了我和侯建國(guó)后來二十多年的愉快合作。

問題4：在您的科研道路中是否遇到過挫折或困難？

回答：科研肯定都不是一帆風(fēng)順的。以我們和實(shí)驗(yàn)合作的單分子科學(xué)研究為例。STM實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的其實(shí)是關(guān)于表面電子結(jié)構(gòu)的信息，并不直接給出表面原子分子的幾何構(gòu)型等。因此，有時(shí)候?yàn)榱四芾斫庖粋€(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)現(xiàn)象，我們需要花很長(zhǎng)一段時(shí)間通過理論模擬，然后與實(shí)驗(yàn)比對(duì)，再回過頭來修正理論模型，多次迭代以后最后才能發(fā)現(xiàn)真正的故事。有段時(shí)間，我和侯建國(guó)沒事就到實(shí)驗(yàn)室，盯著STM數(shù)據(jù)看，一起討論分析，有時(shí)候都忘了時(shí)間。

問題5：當(dāng)選院士以后，您和您的團(tuán)隊(duì)下一階段有哪些打算？

回答：我們團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)在理論計(jì)算方法發(fā)展、新材料設(shè)計(jì)、表面單分子體系表征等方面開展深入研究，爭(zhēng)取取得更多突破性的進(jìn)展。方法方面，我們將進(jìn)一步根據(jù)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)硬件的變化和發(fā)展，開發(fā)新型軟件包，實(shí)現(xiàn)高效的大規(guī)模并行計(jì)算，同時(shí)提前布局量子計(jì)算，為量子計(jì)算機(jī)時(shí)代的量子化學(xué)打好基礎(chǔ)。新材料設(shè)計(jì)方面，我們將致力于提出一些新的概念，引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)展一些全新的材料。同時(shí)，我們也將進(jìn)一步擴(kuò)展研究的體系，比如設(shè)計(jì)新型量子比特材料等。在表面單分子體系表征方面，我們將和實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，開發(fā)新的表征手段，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間、空間、能量域上同時(shí)的超高分辨表征。

問題6：您認(rèn)為科研人員最重要的品質(zhì)是什么？您對(duì)研究生或年輕的科研工作者有什么建議？

回答：我認(rèn)為科研人員最重要的品質(zhì)是好奇心，基礎(chǔ)理論科學(xué)研究是好奇心驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)然，對(duì)研究生和年輕科研工作者，還需要認(rèn)真學(xué)習(xí)，扎實(shí)地打好基礎(chǔ)。例如，對(duì)理論與計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域的研究生來說，必須要有較好的計(jì)算機(jī)編程能力。我年輕的時(shí)候，商業(yè)軟件還不是很成熟，很多東西都要靠自己編程，所以我寫了很多代碼。編程能力必須靠不斷的練習(xí)才能提高?，F(xiàn)在，有個(gè)別同學(xué)只會(huì)簡(jiǎn)單地使用商業(yè)軟件，甚至不清楚其中有些輸入?yún)?shù)的物理意義，把自己也變成了科研的簡(jiǎn)單工具，這不是在做研究。

問題7：目前國(guó)內(nèi)理論與計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展存在的最大的挑戰(zhàn)有哪些？

回答：目前國(guó)內(nèi)理論與計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展勢(shì)態(tài)總的來說是挺好的，當(dāng)然也面臨著一些挑戰(zhàn)。比如說，計(jì)算程序的發(fā)展。計(jì)算程序的發(fā)展需要既懂化學(xué)又懂計(jì)算機(jī)的人才。如果主要依靠研究生的話，面臨學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)、發(fā)表文章困難以及人員流動(dòng)大等問題。需要科研管理部門專門研究，加大資助，吸引優(yōu)秀人才加入到理論與計(jì)算化學(xué)軟件開發(fā)的隊(duì)伍里面來。同時(shí)，理論與計(jì)算化學(xué)屬于基礎(chǔ)研究，對(duì)整個(gè)化學(xué)的發(fā)展有重要的支撐作用，需要廣大同行一起支持理論與計(jì)算化學(xué)的發(fā)展。

問題8：目前中國(guó)理論與計(jì)算化學(xué)的研究在國(guó)際上處于什么水平？

回答：目前中國(guó)理論與計(jì)算化學(xué)基本上處于與國(guó)際第一梯隊(duì)并跑水平。發(fā)展了一些原創(chuàng)性的理論，在應(yīng)用方面尤其出色，取得了很多重要成果。但是，在理論的系統(tǒng)性以及程序的發(fā)展方面還存在一定的短板。目前國(guó)內(nèi)從事理論與計(jì)算化學(xué)研究的優(yōu)秀年輕人才很多，我相信經(jīng)過一段時(shí)間的積累，我們一定能補(bǔ)足短板，使得我國(guó)的理論與計(jì)算化學(xué)研究進(jìn)入國(guó)際領(lǐng)跑狀態(tài)。

問題9：科學(xué)家的工作非常繁忙，您是如何平衡好科研工作與管理工作的關(guān)系？

回答：是的，對(duì)科研工作者來說時(shí)間總是很寶貴的，需要合理的安排和利用時(shí)間。比如，有時(shí)我白天會(huì)忙于行政工作，這時(shí)就會(huì)利用晚上的時(shí)間和學(xué)生討論。另外，對(duì)于理論研究而言，并不需要大型的儀器設(shè)備，只要有網(wǎng)絡(luò)連接就可以工作。所以，我們可以充分利用一些邊角料時(shí)間，比如出差途中，進(jìn)行一些工作。

問題10：工作之余，您有其他興趣愛好嗎？

回答：我的興趣愛好其實(shí)比較廣泛，以前在選鍵化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候，有一張乒乓球臺(tái)，閑下來的時(shí)候我經(jīng)常和學(xué)生一起打球。另外，我也喜歡發(fā)現(xiàn)生活中的美，最近幾年，我用手機(jī)拍攝了很多花卉，現(xiàn)在出去大部分的花我都能認(rèn)識(shí)了。