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內容簡介

本書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略性措施，建議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。

本書可供高層次管理專家做戰略決策時參考，也可供研究生和有關科研人員閱讀，有助于深化對學科發展趨勢、發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。

編輯推薦

學科發展戰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的工作作風結合起來，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達國家“總量并行”到“貢獻并行”再到“源頭并行”的升級發展過程中，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展指出可能的生長點和新方向。

作者簡介

本書由國家自然科學基金委員會與中國科學院聯合。項目主持人為北京大學黎樂民院士。黎樂民院士現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。

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摘要

一、回顧理論與計算化學發展的歷程，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驗，被看成是純實驗科學。通過不斷吸納物理學和數學的理論成果，利用計算科學發展產出的強大計算能力，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。學科發展歷程大致可分為四個階段。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象。第二階段，吸納物理學中熱力學和統計力學的成果，建立化學熱力學和化學統計力學。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展。運用統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學成果，逐步向掌握化學變化定量規律的目標邁進；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，成為發現有指定用途化學新物質的有效途徑。

學科發展歷程表明，理論與計算化學發展的推動力首先源于化學整體向前發展的要求，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展的需要，即發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向前發展。

二、概述學科現狀、分析發展趨勢

化學進入發展的新階段，逐步發展為依靠實驗、計算、理論三方面協同工作推動的科學。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學模擬成為可能。近年來理論與計算化學的進步主要表現在兩個方面：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展趨勢與顯現的特征是：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；研究重心從靜態結構逐步轉向動態過程，從簡單基元過程擴展到多種過程耦合；闡明與生命現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；理論與計算研究正在逐步進入產業部門。

三、展望學科前景，指出面臨的難題

學科發展新階段——躍上新臺階的標志：在質的方面表現為科學水平的提高。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估計，對實驗結果的解釋更，指導實驗探索的作用更強。在量的方面表現為發揮作用范圍擴大，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。

目前存在的主要問題：研究結論沒有足夠的性，計算結果通常不能作為獨立的科學論據，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，得出的結論性沒有保障。運用統計力學理論面臨兩大困難：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，現有計算機難以勝任。發展高效率、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，強調重視有關學科發展前沿，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，為實驗研究預測發展新方向和新領域。

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、提出發展思路，建議采取相應戰略性措施

強化理論與計算化學與數學、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，更要立足國內培養；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》