大國院士 第七百一十章新的研究方向量子化學(xué)

另一邊，遠(yuǎn)在大西洋彼岸的日耳曼國，位于斯圖加特市的馬克斯·普朗克固體研究所。在一間實(shí)驗(yàn)室中，一名穿戴著整齊實(shí)驗(yàn)服的中年教授正按照著流程對手中的一份鋰硫電池進(jìn)行著各種實(shí)驗(yàn)檢測。作為馬克斯·普朗克名下的分支研究機(jī)構(gòu)，再加上日耳曼人向來嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的行事風(fēng)格，也更注重實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)和精確性普朗克固體研究所的科研能力和學(xué)術(shù)聲譽(yù)不用多說。“卡茲，傾斜光纖布拉格光柵傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出來了嗎？”實(shí)驗(yàn)室中，中年教授霍尼·斯旺森處理好手中的鋰硫電池樣品后，朝著實(shí)驗(yàn)室另一角的研究助理詢問道。“剛好完成，教授。”聽到詢問，青年研究助理快速的回復(fù)道。“打印出來給我一份。”斯旺森教授動了動嘴唇，將眼前的實(shí)驗(yàn)檢測設(shè)備開啟，進(jìn)行著新一輪的測試。“好的，教授。”快速的回復(fù)了一聲，青年研究助理在電腦前操作了幾下后，快速的朝著外面走去。不一會，薄薄的幾張實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告就遞了過來。霍尼·斯旺森順手接過來認(rèn)真的翻閱著。傾斜光纖布拉格光柵傳感實(shí)驗(yàn)，是化學(xué)界最前沿的探測技術(shù)。目前能夠應(yīng)用這種實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)的研究所或?qū)嶒?yàn)室根本就沒幾家。這是一種通過監(jiān)測溫度和折射率來跟蹤控制鋰硫電池的電解質(zhì)電極耦合變化，通過對電解液中硫濃度的定量檢測，證明了Li2S和硫的成核途徑和結(jié)晶決定了循環(huán)性能的新型探測技術(shù)。相對比傳統(tǒng)的鋰硫電池檢測技術(shù)來說，這種新探測技術(shù)能夠做到更好，更全面的了解鋰硫電池在充放電實(shí)驗(yàn)中的內(nèi)部變化。也能夠更好的揭示多硫化物溶解\/沉淀與容量衰減之間的相關(guān)性。“教授，那位徐教授，真的解決了鋰硫電池中的多硫化合物擴(kuò)散問題和穿梭效應(yīng)嗎？”實(shí)驗(yàn)室中，沉寂了一會后，看著依舊盯著實(shí)驗(yàn)報(bào)告的的霍尼·斯旺森教授，研究助理終于忍不住了，小聲的開口詢問道。雖然這次鋰硫電池并非徐川研發(fā)的，而是川海材料研究所獨(dú)立完成的，但相對比之下，人們往往會默認(rèn)的將事實(shí)算到更出名的人頭上。相對比徐川來說，川海材料研究所的名聲在學(xué)術(shù)界很顯然弱了不止一個(gè)檔次。聽到助理兼學(xué)生的詢問，斯旺森抬起頭，淡淡的開口道：“出于對科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)，這個(gè)問題我恐怕暫時(shí)沒法回答你。”聞言，學(xué)生的臉上頓時(shí)浮現(xiàn)出了一抹失望的神色。不過對面的斯旺森教授并沒有停止自己的話語，在短暫的停頓了一下后，他將目光投向了自己手中的檢測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告，接著補(bǔ)充道。“不過.....從目前傾斜光纖布拉格光柵傳感實(shí)驗(yàn)的檢測數(shù)據(jù)來看，他們郵寄過來的樣品，的確已經(jīng)做到了解決這個(gè)難題。”簡單的補(bǔ)充了一句，霍尼·斯旺森沒再理會自己的學(xué)生，而是將注意力再度集中到自己手中的報(bào)告上。從檢測的結(jié)果來看，鋰硫電池中的多硫化合物擴(kuò)散問題和穿梭效應(yīng)毫無疑問已經(jīng)得到了穩(wěn)定的控制。這意味著鋰硫電池這種一直都處于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段的‘電池科技’，即將走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入千家萬戶中。對于電池界和工業(yè)界來說，這無疑是一個(gè)劇烈的變化，甚至從某種程度上來說，它能推動整個(gè)時(shí)代的發(fā)展。很簡單，也很純粹，就是鋰硫電池的性能足夠的優(yōu)越！就從他們收到的實(shí)驗(yàn)樣品來看，初步的檢測數(shù)據(jù)表明它的能量密度高達(dá)兩千質(zhì)能量。其他的不說，光是汽車行業(yè)，就將迎來顛覆性的改變。應(yīng)用這種鋰硫電池的汽車，可以說將徹底的取代傳統(tǒng)的化學(xué)燃料汽車，如今依舊占有一席之地的油車，或許要不了多久將全面的退出舞臺了。當(dāng)然，對于他來說，他關(guān)注的重點(diǎn)并不在鋰硫電池即將帶來的改變上，而是在于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中觀察到的一些細(xì)節(jié)，以及那家川海材料研究所曾公開的另一項(xiàng)技術(shù)，那個(gè)很早就公開了的‘化學(xué)材料計(jì)算模型’。或者說，是那個(gè)‘化學(xué)材料計(jì)算模型’的底層理論！事實(shí)上，早在五六年前那位徐教授提出化學(xué)材料計(jì)算模型理論的時(shí)候，化學(xué)界和工業(yè)界就曾將目光投向過這一領(lǐng)域，也著重了解過相關(guān)的理論和工具。甚至一度在化學(xué)界和材料界掀起了計(jì)算材料學(xué)的新熱潮。畢竟按照那位徐教授的說法，當(dāng)時(shí)的人工SEI薄膜技術(shù)就和這套理論有關(guān)系。不過隨著時(shí)間的推移，川海材料研究所或者說這套化學(xué)材料計(jì)算模型后續(xù)一直都沒有做出什么重大出色的成果，以至于計(jì)算材料學(xué)的熱潮也隨之跌落了下去。畢竟如何成立精準(zhǔn)有效而又普遍適用的化學(xué)反應(yīng)的含時(shí)多體量子理論和統(tǒng)計(jì)理論，是二十一世紀(jì)化學(xué)領(lǐng)域中的四大難題之一，也是四大難題之首。而當(dāng)時(shí)那位徐教授在學(xué)術(shù)界才剛嶄露頭角，盡管他以優(yōu)異的數(shù)學(xué)能力解決了霍奇猜想而拿到了菲爾茲獎(jiǎng)。但誰都不相信，他能在另一個(gè)完全不同的領(lǐng)域中做出完全不亞于千禧年難題的成果。畢竟研究這一難題的學(xué)者和實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)可不止一個(gè)兩個(gè)，這其中還包括了眾多的諾獎(jiǎng)得主。比如2013年給復(fù)雜化學(xué)體系設(shè)計(jì)了多尺度模型三位諾化獎(jiǎng)得主，比如對固體表面化學(xué)進(jìn)程研究做出巨大貢獻(xiàn)的格哈德·埃特爾等等。這些頂尖學(xué)者在這一難題上都沒有做出什么突破性的研究，就憑一個(gè)當(dāng)時(shí)才二十歲出頭的年輕人，怎么可能嘛。然而從手中的論文和實(shí)驗(yàn)報(bào)告來看，那個(gè)曾經(jīng)被化學(xué)界和材料學(xué)界備受關(guān)注的‘化學(xué)材料計(jì)算’不僅沒有落幕，反而在經(jīng)歷歲月的沉淀后，重新回到了學(xué)術(shù)界的視野中，一舉解決了多硫化合物擴(kuò)散這一世界性難題。隱隱中，霍尼·斯旺森覺得由那位徐教授親手創(chuàng)造的‘化學(xué)材料計(jì)算理論’可能沒那么簡單。......將針對鋰硫電池的測試實(shí)驗(yàn)交給了自己的學(xué)生后，霍尼·斯旺森收集了一些資料后，帶著他們找到了自己的導(dǎo)師格哈德·埃特爾。沒錯(cuò)，他的導(dǎo)師就是2007年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的格哈德·埃特爾教授。作為建立深入研究表面化學(xué)的方法，以展示不同實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生表面反應(yīng)的全貌的學(xué)者，格哈德·埃特爾在計(jì)算材料學(xué)上的研究可謂是深邃無比。不過出生于1936年的他如今已經(jīng)八十七歲近九十歲了。盡管身體還算硬朗，但早已經(jīng)退出前沿的學(xué)術(shù)界研究，隱居在柏林靠近‘普朗克·弗里茨·哈伯研究所’附近的別墅中。他曾于1986年至2004年出任這家研究所的所長，后續(xù)也在這附近生活。當(dāng)聽到自己這位曾經(jīng)的學(xué)生過來的目的時(shí)，這位頭發(fā)已經(jīng)全白了的老教授眼神中帶上了勃勃的興致。“化學(xué)材料計(jì)算數(shù)學(xué)模型？”饒有興趣的他從自己的學(xué)生手中接過了資料和文件，眼神認(rèn)真的翻閱了起來。徐川提出這位模型和理論的時(shí)候，這位老教授早就退出了化學(xué)界，盡管聽說過，但并不是很了解相關(guān)的情況。“有意思，通過事先對化學(xué)反應(yīng)的材料相關(guān)信息與條件進(jìn)行判斷和條件輸入，再通過數(shù)學(xué)來模擬整個(gè)反應(yīng)的全過程......”翻閱著手中的資料，格哈德·埃特爾一眼就看出來了這份化學(xué)材料計(jì)算模型的核心。“這是個(gè)很龐大的工程啊。”簡略的翻閱完手中的資料文件后，格哈德·埃特爾教授輕輕的合上了報(bào)告，忍不住感慨了一句。以他的眼光，在了解到了核心后自然很容易就能察覺出這份理論和模型背后對應(yīng)的缺陷。“導(dǎo)師，您覺得這條路線繼續(xù)完善下去，有沒有可能為化學(xué)建立起一套精準(zhǔn)有效而又普遍適用的化學(xué)計(jì)算模型？”坐在客廳沙發(fā)對面，霍尼·斯旺森忍不住開口詢問道。聽到這個(gè)問題，格哈德教授認(rèn)真的思考了一下，隨即輕輕的搖了搖頭，道：“難，很難。”頓了頓，他接著說道：“從你帶過來的資料來看，不得不說那位徐川教授很敏銳的探索到了另一條化學(xué)材料計(jì)算的道路，通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)學(xué)來建立起對化學(xué)過程的模擬。”“但這種方法的苛刻性太大，不僅需要繁多的各類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及每一種材料的不同化學(xué)和物理性質(zhì)，且對于計(jì)算力的要求極高。”“這是一種很有意思的化學(xué)材料計(jì)算方式，能幫助我們解決目前在化學(xué)材料研發(fā)過程中的部分問題，但卻很難為化學(xué)建立起一套精準(zhǔn)有效且普遍適用的計(jì)算模型。”霍尼·斯旺森一邊自行的思索著優(yōu)化的方式，一邊開口問道：“那有沒有解決的辦法，導(dǎo)師？”客廳中，格哈德教授在聽到這個(gè)問題后也陷入思索中。從問題來看，毫無疑問這又回答了最初的原點(diǎn)，即如何化學(xué)建立起一套精準(zhǔn)有效且普遍適用的計(jì)算模型。然而困難的是，目前的一些理論方法依舊無法做到對描述復(fù)雜化學(xué)體系進(jìn)行描述，更別提將其轉(zhuǎn)變成數(shù)學(xué)模型了。......在霍尼·斯旺森與格哈德·埃特爾兩位師徒思索著如何為化學(xué)建立起一套精準(zhǔn)有效且普遍適用的計(jì)算模型時(shí)。另一邊，華國，紫金山腳下的別墅群中。師徒兩人暢聊的主角，徐川也在自己的書房中思索著如何進(jìn)一步優(yōu)化自己手中的化學(xué)材料計(jì)算模型。這算不上突如其來的想法。事實(shí)上，早在當(dāng)初建立這個(gè)數(shù)學(xué)模型的時(shí)候，他就很清楚的知道這個(gè)模型的缺陷和問題。而后續(xù)，材料學(xué)的專家張平祥院士以及普林斯頓化學(xué)系主任戴維·麥格米倫教授其實(shí)都提出過這個(gè)模型的缺陷和問題所在。只不過一直以來，他都沒什么時(shí)間去對其進(jìn)行優(yōu)化和完善。而這一次，鋰硫電池的研發(fā)讓這個(gè)化學(xué)材料計(jì)算模型重新映入眼簾，讓徐川覺得也是時(shí)候?qū)ζ溥M(jìn)行一次更新?lián)Q代的理論處理了。看著桌上雜亂的稿紙和各式各樣的論文，徐川長舒了口氣，手指交叉折疊抵在下巴上，陷入沉思中。雖然材料的研發(fā)一直都是上輩子他的研究重點(diǎn)方向，不過要想為化學(xué)建立起一套精準(zhǔn)有效且普遍適用的計(jì)算模型，依舊是一個(gè)可以說難以找到方向的事情。計(jì)算化學(xué)是理論化學(xué)的一個(gè)分支，主要目的是利用有效的數(shù)學(xué)近似以及電腦程序計(jì)算分子的性質(zhì)。例如總能量、偶極矩、四極矩、振動頻率、反應(yīng)活性等，并用以解釋一些具體的化學(xué)問題。在為川海材料研究所編寫的化學(xué)模型上，徐川就是這樣做的。但這并不影響他覺得這條路很難完全走通。因?yàn)槿魏位瘜W(xué)方法的計(jì)算量，都會隨電子數(shù)的增加成指數(shù)或更快的速度增長。所以大尺度的復(fù)雜化學(xué)體系幾乎無法做到精確計(jì)算，除非研發(fā)出傳說中‘量子計(jì)算機(jī)’，而且還是得成熟體系的那種，在配合上相當(dāng)精確的理論方法進(jìn)行計(jì)算才有可能做到。川海材料研究所目前擁有的化學(xué)材料計(jì)算模型就是這樣的。隨著各種分支模塊和相關(guān)數(shù)據(jù)的添加，如今的數(shù)學(xué)模型已經(jīng)成為了一個(gè)龐然大物了。要不是早先就建立起來了大型超算中心，否則如何運(yùn)行這個(gè)模型都是一個(gè)相當(dāng)困難的事情。“如果說，傳統(tǒng)的化學(xué)理論很難走通計(jì)算化學(xué)這條道路，那嘗試一下量子化學(xué)如何？”手指交叉，兩根大拇指抵住下巴的徐川瞳孔散發(fā)無神，腦海中思緒飄到了另一個(gè)領(lǐng)域和方向上。化學(xué)的研究對象是歸根結(jié)底是電子、原子核等微觀物理間的相互作用。而微觀物體的運(yùn)動規(guī)律，要說最好的方法，那就是在20世紀(jì)30年代發(fā)展起來的量子力學(xué)。或許，量子化學(xué)的研究方法，會比傳統(tǒng)的理論化學(xué)更適合研究計(jì)算化學(xué)。而且，更關(guān)鍵的是，建立量子化學(xué)的是多體方法和計(jì)算方法。這兩者的基礎(chǔ)在化學(xué)鍵理論、密度矩陣?yán)碚摗鞑プ永碚摚约岸嗉壩_理論、群論和圖論等等，大部分都在數(shù)學(xué)領(lǐng)域！找到了自己的研究方向，徐川臉上頓時(shí)帶上了一抹笑容。如果說在傳統(tǒng)的化學(xué)上，他對自己沒什么信心的話，那么在數(shù)學(xué)上，沒有人會比他更適合了！.......