劉若莊：開創(chuàng)應用量子化學新方向

綜合

1? 教學相長，理論與實踐相結(jié)合

1927年，量子化學的誕生開啟了探索微觀化學世界之門。但直到50年代末，量子化學還處于理論發(fā)展階段，并且我國關(guān)于它的一切還停留在淺表性研究。

尚未碩士畢業(yè)的劉若莊在跟隨物理化學家唐敖慶教授進行科學研究時，逐漸將注意力放在化學反應的理論應用上，并形成將已有理論應用于實際例子以說明或解決問題的科研思路。這也為中國量子化學的發(fā)展開創(chuàng)了一個新的方向，即應用量子化學。

1951年，劉若莊被聘請到輔仁大學任教。因1952年全國高校院系調(diào)整，他隨輔仁大學化學系一同并入北京師范大學。當時北京師范大學還處于重教學、輕科研的狀態(tài)，劉若莊以超前的認識和獨到的見解，不斷向領(lǐng)導提出建議。他認為科研與教學是相輔相成的，高校任課老師必須要有科學研究，在與同行交流中了解先進理論，在科研中掌握實踐技能，提高教學能力。

1955年，劉若莊重新拾起因繁重教學而被擱置的真正的科學研究。受L.C.Pauling的《化學鍵的本質(zhì)》一書及唐敖慶教授的文章啟發(fā)，他開始研究“水分子間氫鍵的鍵能”課題。

氫鍵，是氫原子同時和兩個電負性較大的原子如氮、氧、硫結(jié)合形成的相互作用。這種相互作用廣泛存在于有機體系和生物體系，是深入理解化學反應和生命現(xiàn)象及過程的不可忽略的基本科學問題。

劉若莊將化學鍵作用能的近似計算公式和理論方法應用計算氫鍵鍵作用，以量子力學原理出發(fā)得到水分子模型，計算水分子中氫鍵的鍵能，從而說明了形成氫鍵的主要作用力。這種創(chuàng)造性地利用電子云的概念解釋氫鍵本質(zhì)的方法遠優(yōu)于當時國際上流行的點電荷模型。這也意味著劉若莊在獨立學術(shù)研究道路上邁出了重要的一步。

隨后劉若莊又對氫鍵進行了其他方面研究。

60年代初期，他帶領(lǐng)學生研究紫外吸收光譜，通過對比其他形成氫鍵的體系的實驗現(xiàn)象，證實異丁基異腈、異丙基異腈與萘酚之間可以形成氫鍵，并且從量子化學角度，采用電子配對法，對異腈與羥基形成氫鍵的共價成鍵作用的大小以及離位能進行計算，從理論上說明異腈與羥基之間能夠形成氫鍵。

這項工作被錄入1965年“全國科學技術(shù)研究成果”中。劉若莊的理論與實驗相結(jié)合的科研思路不僅走通了，走得還分外順利。這在60年代前后，無疑是超前的。

2? 借改革春風，開展系統(tǒng)量化研究

1974年，劉若莊與北京師范大學其他學科同仁組成了量子力學小組，以多學科結(jié)合形式開展對量子力學的研究、探討。他們用量子化學方法研究離子注入機理的工作成果，后獲得1978年科學大會獎。

1978年，劉若莊和同事一起創(chuàng)辦了量子化學研究室（2005年與物理化學教研室合并，更名為理論與物理化學研究所），并開始研究生培養(yǎng)。面對著師資力量和硬件設備的嚴重缺乏，他與同事通過自力更生和爭取外部資源，解決一個個困難。

缺少合適的教材，他們就自己根據(jù)課程安排編寫;缺乏重要課程的老師，他們就請校內(nèi)和兄弟院校的知名老師前來訪問講學，為學生傳授先進的知識。這使得量子化學研究室一開始就以高起點開展教學和科研工作，在研究室教學中也逐漸形成了理論與實踐相結(jié)合、占領(lǐng)學術(shù)制高點的人才培養(yǎng)模式。

為了實現(xiàn)創(chuàng)新和突破，他最先嘗試將能量分解方案發(fā)展用于分析反應過程中過渡態(tài)和中間體各組分間的作用本質(zhì)，并且完成了贗勢能量分解方案和能量梯度法。

“贗勢”顧名思義，是一種假想的位勢，是為了簡化計算而發(fā)展起來的一種經(jīng)驗方法。一般認為，原子之間的相互作用是由原子的價層電子決定的，而內(nèi)層電子的貢獻很小甚至可以忽略，因此，在研究體系的狀態(tài)變化時，只考慮價層電子的運動狀態(tài)變化就足夠了，而內(nèi)層電子的運動可以近似地用事先擬合好假想的勢函數(shù)表示。

1984年，他提出新的贗勢能量分解方案和贗勢能量梯度法，創(chuàng)造性地采用贗勢從頭算法，來代替日本著名量子化學家Morokuma的能量分解方案中的全電子從頭算法，得到了一種以贗勢從頭算為基礎(chǔ)的變分能量分解方案，從而使含重原子的化學反應機理的研究得以實現(xiàn)。這項工作在1987年讓劉若莊榮獲國家教委科技進步獎二等獎。

3? 挑戰(zhàn)新難題，探索光化學領(lǐng)域

不滿足于平淡的重復性工作，喜歡不斷挑戰(zhàn)新難題的劉若莊保持著對未知世界的好奇和探索精神，開始向光化學領(lǐng)域的奮進。

他與學生方維海在研究丙烯醛的光解離反應機理時，發(fā)現(xiàn)當前結(jié)論雖可以研究清楚基態(tài)和激發(fā)態(tài)的兩條反應途徑，但已有結(jié)果無法解釋反應如何回到三重態(tài)。不滿足于當前成就的他們花費大量時間深入研究，最終得到了一個新發(fā)現(xiàn)，即廣為接受的不交叉規(guī)則對于多原子體系來說具有局限性，認為含三個或以上原子的體系，原理上勢能面之間是可能交叉的。

經(jīng)過實驗技術(shù)的改善，這個發(fā)現(xiàn)已被證實。他們還總結(jié)出研究光化學反應的有效途徑之一是將ROHF和MRCI相結(jié)合，并創(chuàng)造性地將反應途徑方法用于研究激發(fā)態(tài)反應的全過程。

1998年，劉若莊與得意門生方維海再度攜手合作，繼續(xù)光化學反應研究。在他們科研成果的推動下，北京師范大學化學系成為國內(nèi)理論光化學領(lǐng)域的一面旗幟，在國際上享有盛譽。

1999年，劉若莊當選為中國科學院院士，十幾年后，他的學生方維海也當選為中國科學院院士。

2003年，他們的成果“勢能面交叉與光化學反應的基礎(chǔ)理論研究”榮獲教育部自然科學獎一等獎。這項工作結(jié)合計算機技術(shù)，解決了系列有機分子光化學反應的詳細機理問題，應用和發(fā)展了量子化學的理論方法。

劉若莊一生專注科研，他的精神將永遠激勵著后輩學子奮斗前行，獻身科研，為祖國的發(fā)展貢獻力量。

劉若莊心語

搞科研首先要有自己的研究方向，要有自己的想法。要老跟著原先導師做，就不會有自己的發(fā)展。

搞科研要不怕吃苦，做科學研究要有執(zhí)著精神。一個人哪怕只做出一點點的成績，都需要艱苦奮斗，沒有什么巧的路可走。

做學問不能固步自封，拓寬國際視野十分重要。

教了一輩子的書，能夠成為對學生在做人、做學問方面有所幫助的好老師，是我一生的追求。我希望我做到了這一點。

我覺得我是中等人才，不是什么特別聰明的人，但我很努力。

雖然我這一輩子都不太平坦，但是讀書期間很幸運，總能碰到好老師。