杨金龙：发现新东西是做科研的最大乐趣

　　杨金龙在理论与计算化学实验室工作。徐国康/摄熟悉中国科学院院士、中国科学技术大学（以下简称中国科大）副校长杨金龙的师生们都知道，他有个特别的爱好——拍摄花朵。到目前为止，他已经认识了500多种花。“对于花这种很美的东西，如果有我不知道的，我一定会想办法认识它、了解它。”杨金龙说，科学就像花一样，发现新东西是做科研的最大乐趣。日前，杨金龙获得第三届“全国创新争先奖”。从凝聚态物理到量子化学再到计算机科学，他始终走在发现新知识、解决新问题的路上。理论与计算先行“研究人员总是‘泡’在实验室，将各种溶液在试管里倒来倒去，在不断试错的过程中变出新东西。”这正是传统化学研究的真实写照。自上世纪开始，随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，理论与计算化学研究进展加速。这使得整个化学界发生了革命性变化——化学不再是纯实验科学。“我的工作就是通过发展新理论和新方法，利用计算机的计算和模拟，对化学中的重要科学问题展开研究，并提供理论预测或实验解释。”杨金龙举例说，比如合成一种催化剂，依靠人工实验不可能穷尽几千万种材料。但采用计算的方法就可以大规模筛选出合适的材料。所以大部分时间里，他都坐在办公室的电脑前工作。电子结构计算是理论与计算化学的基础。我国虽然是超级计算机强国，但计算软件却远远落后于超级计算机硬件的发展。“我们希望把自主研发的软件，有效应用到国产超级计算机上，充分发挥出强大的计算能力。”杨金龙说。多年来，杨金龙发展了系列线性标度的电子结构方法，开发了具有自主知识产权的大规模电子结构计算通用程序包。例如，针对国产超级计算机的算法和程序优化，首次在神威·太湖之光超级计算机上实现了千万核心并行第一性原理计算模拟，该成果被列为我国战略高技术领域10项新跨越成果之一。“这相当于给科学家提供了一个强大的计算模拟工具，可以更准确地研究材料的性质和行为。”杨金龙说。薛定谔方程作为量子力学最重要的方程，一直备受关注。受近期火爆的人工智能ChatGPT启发，杨金龙带领团队正在构建一种大参数模型，严格求解薛定谔方程。“一旦求解出薛定谔方程，便可了解微观物质的性质。换句话说，就可以知道化学反应的结果。”杨金龙说，这是一项激动人心的工作。量子计算机有望大幅提高电子结构计算的效率。对此，杨金龙早有布局：一方面，积极发展计算方法，将现有的普通超算方法“移植”到量子计算机上，为量子计算机时代的量子化学打好基础；另一方面，寻找一个特定体系，即那些在经典计算机上做不了或非常难解决的问题，但在量子计算机上能很快解决，为未来量子计算机在材料领域的应用奠定基础。“自由自在”操纵单分子在单分子水平上研究化学的基本规律是当今化学领域的前沿之一。对单个分子的几何结构和电子结构进行直接观测、操纵和理论表征，是单分子科学的重要研究基础，它对化学的深层次发展和未来直接人工改造分子具有重大意义。早在1959年，诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼在一次演讲中曾提到：“如果有一天，可以按人的意志安排一个原子和分子，将会产生什么样的奇迹？”多年来，杨金龙始终与分子、原子打交道。通过理论建模与数值计算，他发展了一套先进的理论模拟方法，如扫描隧道显微镜（STM）图像快速模拟，并与中国科大的STM实验研究者紧密合作，系统研究了表面单分子的特性。杨金龙的成果还多次入选两院院士评选的年度“中国十大科技进展新闻”——2001年，“拍摄”能够分辨碳60化学键的单分子图像，世界上首次成功直接观察到分子的内部结构；2005年，对吸附于金属表面的钴酞菁分子进行“单分子手术”，世界上首次实现单分子自旋态控制；2013年，将具有化学识别能力的空间成像分辨率提高到0.5纳米，世界上首次实现亚纳米分辨的单分子光学拉曼成像……目前，集成电路的器件已经做到了几纳米的尺度。但站在量子力学的角度，杨金龙希望这些器件尺度的最终极限是单个分子甚至单个原子。“如果真能够把分子做成电子器件，一旦通电后，最大的问题就是发热。如何描述单个分子的热状态？”杨金龙解释说，温度是宏观上的统计概念，微观上没有相关定义。试着想象一下，要在上百万亿个单分子器件中测量某个单分子器件的温度并作出解释，其难度不言而喻。采访中，杨金龙告诉《中国科学报》，这些都是在量子化学层面会出现的问题，眼下他们正在针对这些问题开展研究。“我们希望像医生一样，有一把手术刀，对分子‘自由自在’地裁剪，把它变成我们想要的东西。”杨金龙说，这是一个美妙的场景，未来还有很长的路要走。多学科交叉碰撞智慧火花能源危机和环境污染是当今世界面临的两大难题，影响着人类的生活与生产。在杨金龙看来，为解决这两大难题，化学家可以做的并且正在做的事非常多。太阳能是一种取之不尽用之不竭的可再生能源。而利用太阳光分解水制氢，为人类提供清洁能源，被誉为化学的“圣杯”。对此，杨金龙提出太阳光分解水制氢新思路，大大扩展了太阳能转化为化学能中可利用的太阳光频谱范围，有望对未来新能源技术的发展产生重要影响。“我的大部分研究都属于基础研究，用自己发展的方法解决国民经济相关技术难题，是我们努力的方向。”杨金龙表示。杨金龙的研究团队有这样一个特点——成员的专业背景非常多样化，有物理、材料科学、计算机科学等。事实上，这是他多年来做研究的心得——不同领域的专业知识相结合可以带来丰富的想法和创新的思维，碰撞出智慧的火花。而且科学研究的重大突破，大多发生在学科交叉前沿。杨金龙坦言，做基础研究经常会陷入思维局限中，此时就需要跳出来，看看更广泛的研究领域，或许会产生新的灵感。“中国科大本身的土壤就很好，这里有很多年轻的科研人员，每个人都有自己的研究方向，他们经常在一起交流、讨论，这其实就是一个学科交叉融合的过程，在这个过程中会发现新的问题、新的发展点。”科技创新对于社会的发展至关重要，能够带来新的机遇、挑战和变革，助力我国实现高水平科技自立自强。“我希望更多的年轻人走上科技创新的道路，为国家的发展贡献自己的力量。”杨金龙说。（原载于《中国科学报》?2023-08-24?第1版?要闻）