持物理之矛 破化學(xué)難題

李明麗

1877年，德國(guó)化學(xué)家奧斯特瓦爾德和荷蘭化學(xué)家范托夫創(chuàng)刊的《物理化學(xué)雜志》開始發(fā)行，這個(gè)時(shí)刻，被公認(rèn)為是物理化學(xué)正式成為一門學(xué)科的起點(diǎn)。所謂“物理化學(xué)”，就是用物理之方法來探究化學(xué)的基本規(guī)律和理論。在這個(gè)交叉地帶中，江俊樂此不疲的行進(jìn)了10余年?！斑@是我非常熱愛，也寄予無限期望的一個(gè)領(lǐng)域?！彼f。

行新途，點(diǎn)燃綠色之“光”

在成長(zhǎng)的過程中，江俊首先鑄就的是物理之矛?！拔矣?000年到中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所攻讀碩士學(xué)位，在這里遇到了我的第一位恩師——陸衛(wèi)研究員?！标懶l(wèi)研究員是江俊的伯樂。在當(dāng)時(shí)，他發(fā)現(xiàn)江俊的數(shù)學(xué)和編程都很突出，于是就引導(dǎo)江俊開展理論模擬研究，他們很快開發(fā)出了一個(gè)量子阱半導(dǎo)體器件光電性質(zhì)模擬軟件，該軟件被加拿大crosslight光電半導(dǎo)體軟件引入為專用模塊。

隨后，出于交叉課題的需要，陸衛(wèi)研究員推薦江俊加入瑞典皇家工學(xué)院研讀聯(lián)合培養(yǎng)博士，在這里，他遇到了科研生涯的第二個(gè)引路人——羅毅教授?！?003年，我來到瑞典皇家工學(xué)院深造，羅毅教授帶我跨過了從半導(dǎo)體物理到理論化學(xué)的專業(yè)鴻溝，他指導(dǎo)我將固體物理的原理引入到量子化學(xué)的計(jì)算中去，發(fā)展了一系列的多尺度模擬方法?！痹摲椒ū恢碚摶瘜W(xué)家Hans Agren評(píng)價(jià)為“具有真正的原創(chuàng)性和廣泛的應(yīng)用前景”。

在這同時(shí)，羅毅教授“快樂科研的精神”也深深地影響了江俊?！翱蒲胁皇菫榱饲笊?，也不是為完成項(xiàng)目任務(wù)，而是為了享受獲取新知識(shí)的快樂，這是羅毅教授讓我明白的一個(gè)簡(jiǎn)單而又深刻的道理。在‘快樂科研的指引下，我們不會(huì)因?yàn)橛龅窖芯坷Ь扯趩?，也不?huì)因?yàn)閷W(xué)術(shù)競(jìng)爭(zhēng)而急于求成，更不至于為了拿到項(xiàng)目而忽視學(xué)術(shù)規(guī)范。”他說。

于皇家工學(xué)院博士后出站，江俊來到美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校進(jìn)行研究工作。逐漸地，江俊的羽翼漸豐，2011年，他乘著千人計(jì)劃的“東風(fēng)”回到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，對(duì)他來說，這里才是歸宿。

回國(guó)后，江俊把光催化確定為他的研究重點(diǎn)之一。在各種可再生能源中，太陽能的開發(fā)和利用被寄予厚望。發(fā)展光催化體系，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，是解決能源與環(huán)境問題的一個(gè)有效途徑?！肮獯呋饕峭ㄟ^化學(xué)手段將自然界中豐富的水和生物質(zhì)，或環(huán)境問題中的二氧化碳等，經(jīng)氧化—還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為能量載體分子，如氫氣和乙醇”，江俊介紹說，氫氣是清潔的能量載體，其氧化利用后的唯一產(chǎn)物是水，可再次經(jīng)太陽能制氫循環(huán)利用。另一方面，二氧化碳的轉(zhuǎn)換堪稱變廢為寶，可以在直接控制污染的同時(shí)，提供存儲(chǔ)便利的化學(xué)能。

為了實(shí)現(xiàn)這種“綠色”的催化體系，江俊組建了一個(gè)理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)的研究團(tuán)隊(duì)（包含3位青年千人），開展了國(guó)家科技部“973”青年科學(xué)家專題“光催化體系表界面電子態(tài)的耦合與演化”和多個(gè)自然科學(xué)基金委的面上項(xiàng)目。通過不懈的努力，他在光催化體系方面收獲了諸多新的成果。

光催化體系的理性設(shè)計(jì)長(zhǎng)期受多相、多外場(chǎng)、多過程耦合等復(fù)雜因素制約，進(jìn)展緩慢，導(dǎo)致相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究缺乏理性設(shè)計(jì)，以摸索為主?！搬槍?duì)于此，我們抓住電子運(yùn)動(dòng)這一主線，把復(fù)雜的環(huán)境外場(chǎng)、分子構(gòu)型、材料構(gòu)象、界面結(jié)構(gòu)等因素聯(lián)接起來研究，成功找到一些關(guān)鍵的材料參數(shù)?！苯≌f，這些參數(shù)幫助實(shí)驗(yàn)降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了很好的理性設(shè)計(jì)。

在這之后，他又開展了光催化過程的微觀機(jī)理與宏觀性能之間的本質(zhì)性聯(lián)系研究，“在此過程我們提出了‘理論先導(dǎo)—精準(zhǔn)制備—譜學(xué)表征三位一體的協(xié)同研究模式，聚焦激子運(yùn)動(dòng)耦合這一主線，將復(fù)雜因素歸結(jié)為對(duì)激子的影響，開展交叉科學(xué)研究并取得了良好效果?！蓖ㄟ^實(shí)驗(yàn)，江俊陸續(xù)闡明了光催化過程中各個(gè)步驟的作用機(jī)制，把微觀與宏觀兩個(gè)尺度的調(diào)控與表征實(shí)驗(yàn)研究協(xié)同起來，挖掘出制約光催化效率的各種關(guān)鍵參數(shù)及其聯(lián)動(dòng)機(jī)制。“舉個(gè)例子來說，化學(xué)反應(yīng)原子鍵的重構(gòu)伴隨著電子云改變，因此我們著重模擬研究了極化電荷對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)了集中復(fù)合材料體系，利用材料的功函數(shù)、電負(fù)性、偶極矩等差異，誘導(dǎo)電子自發(fā)的單向運(yùn)動(dòng)形成極化，理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)獲得了優(yōu)越的光催化性能。拓展了人們對(duì)化學(xué)轉(zhuǎn)化中電子運(yùn)動(dòng)這一‘微觀引擎的控制能力，促進(jìn)催化劑的理性設(shè)計(jì)?！苯〗榻B說。

近期，江俊帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的一維三元多節(jié)點(diǎn)鞘硫化物異質(zhì)納米棒，促使光催化產(chǎn)氫性能得到顯著提高，被稱為“這一工作為今后合理設(shè)計(jì)光電功能化的納米體系提供了新的思路”，為MaterialsView、今日頭條等多個(gè)媒體報(bào)導(dǎo)。一路走來，江俊受到了諸多贊譽(yù)。他所負(fù)責(zé)的青年“973”項(xiàng)目獲得了科技部中期評(píng)優(yōu)；多篇文章被Angew、Adv.Mater.選為VIP或封面文章，并被MaterialsView推薦。

江俊的“野心”不只停留在理論研究上！他將原始創(chuàng)新成果集成為一套實(shí)用的設(shè)計(jì)與表征模擬軟件，指導(dǎo)體系的理性設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化，大幅度地提高光催化效率。另外，江俊開發(fā)的幾個(gè)參數(shù)計(jì)算及其聯(lián)動(dòng)仿真程序已在逐步搭載到北京泊菲萊公司的業(yè)界領(lǐng)先的光催化實(shí)驗(yàn)設(shè)備上?！拔磥?，我還計(jì)劃打造全球首個(gè)光催化模擬設(shè)計(jì)—制備—表征的生態(tài)平臺(tái)，免費(fèi)為學(xué)術(shù)用戶提供簡(jiǎn)單的機(jī)理分析和材料設(shè)計(jì)，并通過廣泛收集和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加速理論模型的完善，這將為廣闊的光催化領(lǐng)域提供理性設(shè)計(jì)原則，有望推動(dòng)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?！苯”P算著。

新材料 新創(chuàng)造

如果說鋼鐵，水泥是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)，那么，新材料就是發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的基石。美國(guó)已啟動(dòng)兩輪“材料基因組計(jì)劃”，而我國(guó)也將新材料列為七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和“中國(guó)制造2025”重點(diǎn)發(fā)展十大領(lǐng)域。在中國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷復(fù)蘇和高科技產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的帶動(dòng)下，未來中國(guó)新材料市場(chǎng)將保持高速增長(zhǎng)的勢(shì)頭?！暗俏覈?guó)材料行業(yè)起點(diǎn)低，而且長(zhǎng)期承擔(dān)利潤(rùn)空間極低的粗加工業(yè)務(wù)。材料大數(shù)據(jù)的缺乏已是我國(guó)材料企業(yè)往高端升級(jí)的瓶頸。”江俊感嘆道。

針對(duì)我國(guó)目前嚴(yán)重缺乏材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，江俊與恩師羅毅教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)率先建立了材料基因創(chuàng)新研究平臺(tái)。該平臺(tái)的工作內(nèi)容主要包含材料基因收集、基因數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建、基因數(shù)據(jù)圖譜分析以及性質(zhì)模擬4個(gè)主要部分。依托該平臺(tái)，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在國(guó)家超算中心等部門的配合下，已獲取了上千萬級(jí)的功能分子、百萬級(jí)別晶體結(jié)構(gòu)的材料特征數(shù)據(jù)，構(gòu)建了實(shí)用的材料基因數(shù)據(jù)庫(kù)，為實(shí)現(xiàn)江俊建立研究平臺(tái)的目的之一——提供材料大數(shù)據(jù)檢索和訂閱服務(wù)，夯實(shí)了技術(shù)基礎(chǔ)。

目前，江俊已經(jīng)研發(fā)并且上線了一個(gè)用于檢索材料信息的網(wǎng)站——“www.dcaiku.com”，現(xiàn)在該網(wǎng)站已經(jīng)可以完成基于分子結(jié)構(gòu)、名稱和性質(zhì)的檢索、過濾和實(shí)時(shí)可視化。材料大數(shù)據(jù)檢索和訂閱服務(wù)主要面向國(guó)內(nèi)高校和研究所的科研用戶，服務(wù)內(nèi)容主要包括4項(xiàng)：功能分子、高分子、分子晶體、納米結(jié)構(gòu)、固體材料等材料的搜索；材料性質(zhì)的檢索和分析；基于量子化學(xué)計(jì)算的數(shù)據(jù)檢索以及文檔服務(wù)，包括優(yōu)化空間構(gòu)型、計(jì)算量子態(tài)結(jié)構(gòu)等；利用量子化學(xué)計(jì)算預(yù)測(cè)物理與化學(xué)性質(zhì)，模擬多種譜學(xué)響應(yīng)，揭示實(shí)驗(yàn)機(jī)理，如分子電子學(xué)與光子學(xué)、化學(xué)反應(yīng)、光催化、光電轉(zhuǎn)換、傳感與探測(cè)、生物化學(xué)等?！拔覀兿Ｍㄟ^量子力學(xué)計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等手段對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行完善，以期學(xué)者可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取新的材料科學(xué)知識(shí)，幫助其進(jìn)行研發(fā)工作?！苯≌f。

另一方面他還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)依托超級(jí)計(jì)算機(jī)，開發(fā)了量子化學(xué)、大數(shù)據(jù)、人工智能方面的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了材料大數(shù)據(jù)分類、清洗和歸納。這些核心技術(shù)在國(guó)際和國(guó)內(nèi)都屬于科技前沿，現(xiàn)已應(yīng)用在功能分子和固體材料的大數(shù)據(jù)分析中，取得了良好效果。在此基礎(chǔ)上，江俊挖掘材料基因指導(dǎo)新材料開發(fā)，為企業(yè)和科研用戶提供材料基因定制服務(wù)。

該項(xiàng)服務(wù)主要包括針對(duì)具體應(yīng)用的分子與固體材料設(shè)計(jì)；針對(duì)特征性能參數(shù)（光、電、磁、熱、吸附、活性等）優(yōu)化的材料基因數(shù)據(jù)服務(wù)（小型數(shù)據(jù)庫(kù)或軟件）；實(shí)用器件性能（化學(xué)反應(yīng)、發(fā)光、導(dǎo)電、光催化、儲(chǔ)能、探測(cè)等）仿真。在此方面，江俊已經(jīng)和多家公司達(dá)成了合作，成功地完成了多項(xiàng)材料篩選設(shè)計(jì)工作，產(chǎn)生良好經(jīng)濟(jì)效應(yīng)?！氨热纾覀兓诓牧洗髷?shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)了航天飛機(jī)渦輪部件記憶金屬材料的性能仿真和篩選，為中航工業(yè)某飛機(jī)集團(tuán)公司提供了材料計(jì)算軟件的定制服務(wù)?！苯≌f，自2010年至今，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)每年承擔(dān)了大量設(shè)計(jì)項(xiàng)目，所發(fā)展的極端條件下（溫度3000K、壓力10GPa、70000金屬原子） 記憶金屬材料，每年為中航工業(yè)某飛機(jī)集團(tuán)公司節(jié)約高溫與高壓的能耗成本、安全成本和生產(chǎn)成本達(dá)4320萬元，部分優(yōu)秀新材料已用于波音飛機(jī)的制造。

教學(xué)“工匠” 志在前方

江俊始終堅(jiān)持科研和教學(xué)并重，他曾擔(dān)任中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班學(xué)院2012級(jí)創(chuàng)新班和2015級(jí)創(chuàng)新班兩屆班主任。為了了解學(xué)生心理情況，幫助學(xué)生成長(zhǎng)，江俊自學(xué)心理學(xué)課程，堅(jiān)持每年請(qǐng)每個(gè)學(xué)生共進(jìn)一次晚餐，“在這個(gè)過程中，我會(huì)通過輕松的聊天來了解他們的生活和學(xué)習(xí)狀態(tài)，解答他們?cè)谏钪屑皩W(xué)習(xí)中的各種疑惑和難題?！?/p>

中國(guó)科技大學(xué)少年班有一個(gè)教學(xué)特色，就是在學(xué)生入學(xué)時(shí)并不硬性要求其確定主修專業(yè)，而是賦予學(xué)生一段時(shí)間去嘗試摸索，“這固然是很好的，但是我卻發(fā)現(xiàn)大部分大一的學(xué)生，往往很長(zhǎng)時(shí)間也拿不定主意選擇什么主修專業(yè)，對(duì)各學(xué)科的特點(diǎn)基本特點(diǎn)也不甚了解，從而白白浪費(fèi)了光陰?！币澜〉膫€(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，早點(diǎn)確定專業(yè)是有利于個(gè)人發(fā)展的，“吾生也有涯，而知也無涯?，F(xiàn)代科學(xué)的一個(gè)特征就是知識(shí)量和信息量太大，那種不管有沒有興趣總之都學(xué)一點(diǎn)的同學(xué)很容易貪多嚼不爛。學(xué)很多專業(yè)，其實(shí)還不如將精力放在一個(gè)專業(yè)上?！睘榱俗寣W(xué)生認(rèn)清楚知識(shí)樹的脈絡(luò)，盡早地發(fā)現(xiàn)自己的志向所在，江俊發(fā)起并主辦了“少年班講壇”，請(qǐng)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的杰出青年人來講解對(duì)科學(xué)、專業(yè)、產(chǎn)業(yè)方向的看法，來讓學(xué)生們有個(gè)參考與借鑒。

江俊還十分注重提升學(xué)生的“雙創(chuàng)”能力，他在學(xué)校團(tuán)委的支持下創(chuàng)建了“極客中心”，鼓勵(lì)學(xué)生依據(jù)興趣愛好，學(xué)習(xí)未來技術(shù)，開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。在極客中心，以江俊直接指導(dǎo)的少年班學(xué)生為主體的材料基因團(tuán)隊(duì)，獲得了2016年安徽省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽冠軍、全國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銀獎(jiǎng)?！耙郧皩W(xué)生喜歡埋頭做實(shí)驗(yàn)、搞研發(fā)，不喜歡搞項(xiàng)目，不接地氣。參加雙創(chuàng)大賽，不僅鍛煉了他們的學(xué)識(shí)、增加了自信，也讓他們找到了服務(wù)社會(huì)的價(jià)值?！苯≌f。

獨(dú)樂樂不如眾樂樂，近兩年來江俊專注于科普事業(yè)，應(yīng)地方政府宣傳部、圖書館、中小學(xué)邀請(qǐng)，在長(zhǎng)沙、貴陽、長(zhǎng)春、鄭州、合肥等地做科普講座20余次。他用深入淺出的講解，為學(xué)生和公眾展示了一個(gè)精彩和神奇的科學(xué)世界。

在科普工作中，江俊很擅長(zhǎng)找到切入點(diǎn)，引發(fā)大眾興趣。他會(huì)以轟動(dòng)全球的事件人工智能Alphago戰(zhàn)勝世界圍棋冠軍得主韓國(guó)棋手李世石為引子，來介紹計(jì)算機(jī)與化學(xué)結(jié)合的成果——計(jì)算化學(xué)的產(chǎn)生與廣泛應(yīng)用；從一個(gè)蘋果砸中牛頓的腦袋開始，引領(lǐng)學(xué)生們討論為什么各個(gè)星球在宇宙中能不相撞，相安無事地運(yùn)行；以星際穿越這部電影為開頭，介紹質(zhì)量對(duì)時(shí)間和空間的彎曲作用；利用黑洞做時(shí)空隧道，實(shí)現(xiàn)未來星際航行夢(mèng)想的前景。解釋星際航行中的不同星球時(shí)間流動(dòng)速度不一致的原理。在這個(gè)過程中，他會(huì)以視頻、笑話、電影、小故事、互動(dòng)提問等方式，來增加科普課程的趣味性和生動(dòng)性。

談到物理化學(xué)的研究前景，江俊信心十足，“隨著人類觀察微觀世界的能力拓展，和高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，我們逐漸可以幫助實(shí)驗(yàn)化學(xué)研究從原子、分子和量子的各個(gè)微觀角度來理解和改造物質(zhì)世界，并展現(xiàn)出強(qiáng)大的理性設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)?！彼f道。然而，化學(xué)世界的復(fù)雜性也給人們帶來極大挑戰(zhàn)，利用理論和計(jì)算模擬，從微觀結(jié)構(gòu)和量子態(tài)設(shè)計(jì)出發(fā)到介觀的分子與材料性質(zhì)模擬并最終達(dá)成對(duì)宏觀體系功能的優(yōu)化，這個(gè)過程中的復(fù)雜度（自由度）和計(jì)算量是急劇增大的。為了破解該難題，江俊計(jì)劃帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)聚焦于開發(fā)快速的多尺度模擬方法，并發(fā)展化學(xué)的大數(shù)據(jù)和人工智能手段來提煉有效的化學(xué)結(jié)構(gòu)與性能的描述子，“另一方面，我還打算深入探索量子計(jì)算對(duì)化學(xué)體系模擬的加速作用，然后將這兩方面的工作結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)理論化學(xué)對(duì)物質(zhì)的制備和調(diào)控的理性指導(dǎo)。”江俊說。

科技是第一生產(chǎn)力，是提升綜合國(guó)力，改善民生水平的“引擎”，江俊將在科研之路上一往直前，為中國(guó)的發(fā)展助力！