持物理之矛 破化學(xué)難題
——記中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授江俊

本刊記者 李明麗

持物理之矛 破化學(xué)難題
——記中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授江俊

本刊記者 李明麗

1877年，德國化學(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，這個時刻，被公認(rèn)為是物理化學(xué)正式成為一門學(xué)科的起點。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。在這個交叉地帶中，江俊樂此不疲的行進(jìn)了10余年。“這是我非常熱愛，也寄予無限期望的一個領(lǐng)域?！彼f。

行新途，點燃綠色之“光”

在成長的過程中，江俊首先鑄就的是物理之矛。“我于2000年到中國科學(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。”陸衛(wèi)研究員是江俊的伯樂。在當(dāng)時，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評價為“具有真正的原創(chuàng)性和廣泛的應(yīng)用前景”。

在這同時，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?，也不是為完成項目任務(wù)，而是為了享受獲取新知識的快樂，這是羅毅教授讓我明白的一個簡單而又深刻的道理。在‘快樂科研’的指引下，我們不會因為遇到研究困境而沮喪，也不會因為學(xué)術(shù)競爭而急于求成，更不至于為了拿到項目而忽視學(xué)術(shù)規(guī)范?！彼f。

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

回國后，江俊把光催化確定為他的研究重點之一。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，提供存儲便利的化學(xué)能。

為了實現(xiàn)這種“綠色”的催化體系，江俊組建了一個理論結(jié)合實驗的研究團(tuán)隊（包含3位青年千人），開展了國家科技部“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”和多個自然科學(xué)基金委的面上項目。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)計長期受多相、多外場、多過程耦合等復(fù)雜因素制約，進(jìn)展緩慢，導(dǎo)致相關(guān)實驗研究缺乏理性設(shè)計，以摸索為主。“針對于此，我們抓住電子運動這一主線，把復(fù)雜的環(huán)境外場、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)幫助實驗降低設(shè)計復(fù)雜度，實現(xiàn)了很好的理性設(shè)計。

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，聚焦激子運動耦合這一主線，將復(fù)雜因素歸結(jié)為對激子的影響，開展交叉科學(xué)研究并取得了良好效果?！蓖ㄟ^實驗，江俊陸續(xù)闡明了光催化過程中各個步驟的作用機(jī)制，把微觀與宏觀兩個尺度的調(diào)控與表征實驗研究協(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)動機(jī)制?！芭e個例子來說，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化學(xué)反應(yīng)的影響，設(shè)計了集中復(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)的單向運動形成極化，理論指導(dǎo)實驗獲得了優(yōu)越的光催化性能。拓展了人們對化學(xué)轉(zhuǎn)化中電子運動這一‘微觀引擎’的控制能力，促進(jìn)催化劑的理性設(shè)計?！苯〗榻B說。

近期，江俊帶領(lǐng)團(tuán)隊設(shè)計了一種獨特的一維三元多節(jié)點鞘硫化物異質(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、今日頭條等多個媒體報導(dǎo)。一路走來，江俊受到了諸多贊譽。他所負(fù)責(zé)的青年“973”項目獲得了科技部中期評優(yōu)；多篇文章被Angew、Adv.Mater.選為VIP或封面文章，并被MaterialsView推薦。

指導(dǎo)學(xué)生

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用的設(shè)計與表征模擬軟件，指導(dǎo)體系的理性設(shè)計和性能優(yōu)化，大幅度地提高光催化效率。另外，江俊開發(fā)的幾個參數(shù)計算及其聯(lián)動仿真程序已在逐步搭載到北京泊菲萊公司的業(yè)界領(lǐng)先的光催化實驗設(shè)備上?！拔磥?，我還計劃打造全球首個光催化模擬設(shè)計—制備—表征的生態(tài)平臺，免費為學(xué)術(shù)用戶提供簡單的機(jī)理分析和材料設(shè)計，并通過廣泛收集和分析實驗數(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)計原則，有望推動我國新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?！苯”P算著。

執(zhí)著教研

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。美國已啟動兩輪“材料基因組計劃”，而我國也將新材料列為七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和“中國制造2025”重點發(fā)展十大領(lǐng)域。在中國經(jīng)濟(jì)不斷復(fù)蘇和高科技產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的帶動下，未來中國新材料市場將保持高速增長的勢頭?！暗俏覈牧闲袠I(yè)起點低，而且長期承擔(dān)利潤空間極低的粗加工業(yè)務(wù)。材料大數(shù)據(jù)的缺乏已是我國材料企業(yè)往高端升級的瓶頸?！苯「袊@道。

針對我國目前嚴(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)隊率先建立了材料基因創(chuàng)新研究平臺。該平臺的工作內(nèi)容主要包含材料基因收集、基因數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、基因數(shù)據(jù)圖譜分析以及性質(zhì)模擬4個主要部分。依托該平臺，他帶領(lǐng)團(tuán)隊在國家超算中心等部門的配合下，已獲取了上千萬級的功能分子、百萬級別晶體結(jié)構(gòu)的材料特征數(shù)據(jù)，構(gòu)建了實用的材料基因數(shù)據(jù)庫，為實現(xiàn)江俊建立研究平臺的目的之一——提供材料大數(shù)據(jù)檢索和訂閱服務(wù)，夯實了技術(shù)基礎(chǔ)。

目前，江俊已經(jīng)研發(fā)并且上線了一個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、過濾和實時可視化。材料大數(shù)據(jù)檢索和訂閱服務(wù)主要面向國內(nèi)高校和研究所的科研用戶，服務(wù)內(nèi)容主要包括4項：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、計算量子態(tài)結(jié)構(gòu)等；利用量子化學(xué)計算預(yù)測物理與化學(xué)性質(zhì)，模擬多種譜學(xué)響應(yīng)，揭示實驗機(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、生物化學(xué)等。“我們希望通過量子力學(xué)計算、機(jī)器學(xué)習(xí)等手段對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行完善，以期學(xué)者可以從數(shù)據(jù)庫中獲取新的材料科學(xué)知識，幫助其進(jìn)行研發(fā)工作?！苯≌f。

另一方面他還帶領(lǐng)團(tuán)隊依托超級計算機(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)在國際和國內(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)。

該項服務(wù)主要包括針對具體應(yīng)用的分子與固體材料設(shè)計；針對特征性能參數(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)庫或軟件）；實用器件性能（化學(xué)反應(yīng)、發(fā)光、導(dǎo)電、光催化、儲能、探測等）仿真。在此方面，江俊已經(jīng)和多家公司達(dá)成了合作，成功地完成了多項材料篩選設(shè)計工作，產(chǎn)生良好經(jīng)濟(jì)效應(yīng)?！氨热?，我們基于材料大數(shù)據(jù)分析實現(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)公司提供了材料計算軟件的定制服務(wù)?！苯≌f，自2010年至今，他帶領(lǐng)團(tuán)隊每年承擔(dān)了大量設(shè)計項目，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。

在實驗室

教學(xué)“工匠” 志在前方

江俊始終堅持科研和教學(xué)并重，他曾擔(dān)任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班學(xué)院2012級創(chuàng)新班和2015級創(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，江俊自學(xué)心理學(xué)課程，堅持每年請每個學(xué)生共進(jìn)一次晚餐，“在這個過程中，我會通過輕松的聊天來了解他們的生活和學(xué)習(xí)狀態(tài)，解答他們在生活中及學(xué)習(xí)中的各種疑惑和難題?！?/p>

中國科技大學(xué)少年班有一個教學(xué)特色，就是在學(xué)生入學(xué)時并不硬性要求其確定主修專業(yè)，而是賦予學(xué)生一段時間去嘗試摸索，“這固然是很好的，但是我卻發(fā)現(xiàn)大部分大一的學(xué)生，往往很長時間也拿不定主意選擇什么主修專業(yè)，對各學(xué)科的特點基本特點也不甚了解，從而白白浪費了光陰。”依江俊的個人的經(jīng)驗，早點確定專業(yè)是有利于個人發(fā)展的，“吾生也有涯，而知也無涯?，F(xiàn)代科學(xué)的一個特征就是知識量和信息量太大，那種不管有沒有興趣總之都學(xué)一點的同學(xué)很容易貪多嚼不爛。學(xué)很多專業(yè)，其實還不如將精力放在一個專業(yè)上?！睘榱俗寣W(xué)生認(rèn)清楚知識樹的脈絡(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”，請學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的杰出青年人來講解對科學(xué)、專業(yè)、產(chǎn)業(yè)方向的看法，來讓學(xué)生們有個參考與借鑒。

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，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“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銀獎?！耙郧皩W(xué)生喜歡埋頭做實驗、搞研發(fā)，不喜歡搞項目，不接地氣。參加雙創(chuàng)大賽，不僅鍛煉了他們的學(xué)識、增加了自信，也讓他們找到了服務(wù)社會的價值?！苯≌f。

獨樂樂不如眾樂樂，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，在長沙、貴陽、長春、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精彩和神奇的科學(xué)世界。

在科普工作中，江俊很擅長找到切入點，引發(fā)大眾興趣。他會以轟動全球的事件人工智能Alphago戰(zhàn)勝世界圍棋冠軍得主韓國棋手李世石為引子，來介紹計算機(jī)與化學(xué)結(jié)合的成果——計算化學(xué)的產(chǎn)生與廣泛應(yīng)用；從一個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星球在宇宙中能不相撞，相安無事地運行；以星際穿越這部電影為開頭，介紹質(zhì)量對時間和空間的彎曲作用；利用黑洞做時空隧道，實現(xiàn)未來星際航行夢想的前景。解釋星際航行中的不同星球時間流動速度不一致的原理。在這個過程中，他會以視頻、笑話、電影、小故事、互動提問等方式，來增加科普課程的趣味性和生動性。

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，和高性能計算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，我們逐漸可以幫助實驗化學(xué)研究從原子、分子和量子的各個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)計優(yōu)勢?！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)，利用理論和計算模擬，從微觀結(jié)構(gòu)和量子態(tài)設(shè)計出發(fā)到介觀的分子與材料性質(zhì)模擬并最終達(dá)成對宏觀體系功能的優(yōu)化，這個過程中的復(fù)雜度（自由度）和計算量是急劇增大的。為了破解該難題，江俊計劃帶領(lǐng)團(tuán)隊聚焦于開發(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算對化學(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，實現(xiàn)理論化學(xué)對物質(zhì)的制備和調(diào)控的理性指導(dǎo)?！苯≌f。

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

專家簡介：

江俊，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，入選中共中央組織部首批“青年千人計劃”。瑞典皇家工學(xué)院理論化學(xué)博士，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所凝聚態(tài)物理學(xué)博士。從事物理化學(xué)研究，發(fā)展和應(yīng)用多尺度的物理與化學(xué)理論方法，致力于解決納米材料、分子電子學(xué)與光子學(xué)、光催化領(lǐng)域中的實際問題。在量子器件領(lǐng)域獲專利5項，發(fā)表SCI收錄論文90余篇，開發(fā)的5個針對不同應(yīng)用的計算程序包已被一些國際研究組和工業(yè)界應(yīng)用，其中TBMD軟件用于西飛集團(tuán)的極端條件航空部件設(shè)計。入選2015年科學(xué)中國人年度人物，獲2015年唐敖慶青年理論化學(xué)家獎。同時，江俊還是科技部“青年973”項目負(fù)責(zé)人，擔(dān)任《中國科學(xué)—化學(xué)》《中國化學(xué)快報》《中國光學(xué)》期刊青年編委。