鄒文利：“寫”出中國人自己的量子化學軟件

李曉文

隨著科技日新月異的發展，我們日常所用的手機、筆記本電腦及近年來出現的電動汽車，都離不開新型材料。為了減少環境污染和降低實驗成本，材料科學家們往往先進行量子化學模擬，從大量候選材料中篩選出具有特定性質并滿足一定要求的樣品，再通過一些實驗加以驗證。

事實上，作為當代化學的一個分支學科，量子化學已被廣泛應用于生物、醫藥、材料、環境、能源、軍事等多個領域，它對分子、材料的結構及性質的解釋和預測是任何其他工具所不能替代的。但對于大多數科學家來說，他們關心的只是計算結果，沒有必要、也不可能弄清楚量子化學計算的每個細節，此時就可以借助量子化學計算軟件來解決問題。然而，目前國產的量子化學計算軟件極少，幾乎所有的計算工作都是用國外軟件完成的。為了改變這一現狀，西北大學現代物理研究所教授鄒文利夜以繼日地忙碌著……

“人生就像一盒巧克力”

理論化學是通過理論計算而非實驗手段來研究化學問題的一門學科，其中最主要的分支是量子化學。量子化學源于量子力學，其理論基礎是薛定諤方程。1998年的諾貝爾化學獎授予了Walter Kohn和John Pople二人，表彰他們在量子化學領域做出的突出貢獻：前者提出了當今被廣泛使用的密度泛函理論，后者不僅發展出各種量子化學方法，還開發了著名的量子化學軟件Gaussian。

鄒文利這樣評價量子化學軟件的重要性：“如果把應用量子化學軟件研究具體問題比作上陣殺敵的話，那么開發量子化學軟件的部門就相當于兵工廠。”21世紀以來，我國在量子化學領域取得了不少令人矚目的研究成果，涌現出一批具有國際影響力的學者，但從總體上看，本領域對國外軟件的依賴非常嚴重，未擺脫技術受制于人的地位。尤其是最近發生的幾所高校被美國禁用MATLAB軟件的事件，使國產科學計算軟件的研發變得迫在眉睫。正如著名理論化學家、中國科學院院士黎樂民先生2016年在《中國學科發展戰略·理論與計算化學》一書中指出的,“總體而言，我國理論與計算化學在國際理論與計算化學界的地位還不是很高，除了缺少一批大師級的領軍人才，沒有研發出獨立完整、功能強大的計算軟件是最主要的原因”“發展我國擁有自主知識產權的計算化學平臺已成為促進我國理論與計算化學學科發展的緊迫戰略措施之一。”

鄒文利

雖然量子化學軟件非常重要，但事實上，國內從事這一領域的科研工作者并不多。鄒文利解釋道：“一個很重要的原因是，該研究領域是物理學、化學、數學及計算機的交叉學科，需要研究者不僅具備扎實的數理化理論功底，還要熟練掌握計算機編程技巧。這就把很多想涉足該領域的學生拒之門外。”當被問及是如何進入這一領域時，鄒文利笑著回答說：“可以用四個字來概括——誤打誤撞。”

回國前夕與Cremer課題組成員合影

1994年，鄒文利順利考上南開大學物理系，這讓他半是欣喜半是憂慮。“我非常喜歡化學，高考填志愿的時候，本來選的全是化學相關專業。可是誤把光學當成了光化學，就被錄取到物理系了。”為了更貼近化學，本科畢業后，鄒文利留在南開大學現代光學研究所，從事分子光譜研究。讀研期間，導師從美國買了一臺光譜儀器，但卻被美國海關以違禁品的名義扣下。等收到儀器已是一年后，而且很多關鍵零部件也缺失了。雖然經過了多次嘗試和努力，但鄒文利的實驗結果還是不理想，最后鄒文利在導師的支持下自學量子化學，用理論模擬的方法補全了缺失的光譜數據。這件事讓他一方面感嘆理論計算的強大威力，另一方面也深刻地認識到，只有沖破國外的束縛和限制，依靠本國的軟件和儀器，才能真正實現我國科技的發展與進步。

博士畢業后，鄒文利希望能加入一個致力于開發國產量子化學軟件的團隊，恰好著名理論化學家劉文劍教授剛剛獲聘“長江學者”，從德國回到北京大學任教，于是沒有任何編程基礎的鄒文利成為劉文劍團隊的首批博士后，從事能帶理論的軟件開發。劉文劍教授在理論化學領域的研究成果十分豐碩，他曾在不到兩年的時間里連續捧得了理論化學界的三項國際大獎，是業內的翹楚。鄒文利坦言，劉文劍教授對他影響深遠，是他人生中最重要的人之一。“大家都知道，論文是衡量科研成果的重要標志。但我們搞量子化學軟件開發，往往幾年才能出一個成果，不可能發表很多論文。劉教授告訴我們，‘不要追求發表論文的數量，而要力圖每一篇論文都能解決一個重要的科學問題’。他希望我們厚積薄發，踏踏實實地做出一些有特色和高水平的研究工作出來。”鄒文利說。

為了開拓視野，2007年離開北大后，鄒文利先后到美國的得克薩斯大學奧斯汀分校和南方衛理公會大學從事博士后研究工作。在后者，鄒文利遇到了另一位對他影響深遠的人物——Dieter Cremer。Cremer是1998年諾貝爾化學獎得主Pople的學生，但是與科班出身的大多數量子化學家不同，Cremer最早學習經商，子承父業接管家族企業，后來又做過報社記者和編輯，直到30歲以后才進入化學領域，這些豐富的社會閱歷使他總是從獨特的視角看問題。例如，他善于和實驗化學家打交道，根據他們最關心的問題，有針對性地發展計算方法。也許是Cremer看中了鄒文利的物理專業背景，Cremer把課題組歷年積攢的難點課題全部交給他，為此他夜以繼日地查資料、推公式、寫代碼、調程序，經常一天只睡三四個小時，最后終于解決了這些難題，并且在學術上也有巨大收獲。

2015年，當鄒文利準備回國時，卻發現自己處于一個非常尷尬的境地。“發表理論化學算法的學術刊物很少，影響因子也不高，導致這個研究領域在國內很多高校和科研單位不受重視。我不知道自己該何去何從。”面對人生的十字路口，劉文劍教授為他指明了方向——去西北大學繼續從事理論化學研究工作。

西北大學坐落于古都西安市，是教育部與陜西省人民政府共建的綜合性全國重點大學，理論化學是它的優勢學科之一，其中以文振翼教授為首的團隊開發的量子化學軟件Xi’an-CI已被國內外多家單位使用。“另外，很多年輕同事都有在劉文劍課題組學習或工作的經歷，雙方的聯系也比較緊密，所以西北大學研究理論化學的學術氛圍還是比較好的。在這里，我可以全身心地投入到自己所熱愛的研究領域中。”回想起自己經歷的種種，鄒文利感慨道，“人生就像一盒巧克力，如果不打開就永遠不知道下一顆是什么樣子，會是什么味道。”

良師益友為伴，實現多項突破

在西北大學的4年里，鄒文利的主要工作之一是開發和完善BDF（Beijing Density Functional）軟件。鄒文利介紹道，“BDF是目前唯一功能比較完整的國產量子化學軟件，90年代初我的老師劉文劍跟隨黎樂民先生攻讀博士研究生的時候就在開發這個軟件，當時以密度泛函理論為主”。密度泛函理論（Density functional theory，DFT）是一種計算量相對較小且具有足夠計算精度的第一性原理方法，廣泛用于處理復雜的大分子體系。與國外同類軟件不同的是，BDF的特色在于相對論方法，支持標量、二分量、四分量相對論的DFT，擅于計算含有重元素的分子和材料。

2010年以后，根據量子化學的未來發展趨勢，劉文劍團隊決定重寫BDF軟件，鄒文利于2016年回國后也參與其中。“劉老師既是我的老師也是我的朋友，盡管當年離開課題組后，我去了美國求學，但不管在科研工作方面，還是在生活方面，我們仍然經常交流。而我在西大的團隊也與劉老師長期保持著合作關系，我很榮幸能夠一直參與到BDF的開發中。”鄒文利說。

“近幾十年國外出現過很多量子化學軟件，但是很大一部分后來都銷聲匿跡了，要么是沒有特色導致用戶太少，要么隨著作者的轉行、離世而停止開發。一個量子化學軟件要想生存下去，一要有穩定的開發團隊，二要有自己的特色與強項，三要能與應用相結合。最近幾年，BDF發展迅猛，開發團隊日益擴大，實現了很多有特色的計算方法，例如用于原子軌道積分的快速求解程序，基于分塊的低標度電子相關方法，用于開殼層體系激發態的XTDDFT計算方法，計算任意能量范圍內全部激發態的iVI方法，用于模擬生物大分子的大規模異構并行DFT等。”鄒文利介紹道。

在開發和完善BDF中，鄒文利負責的一項重要工作是實現“精確二分量”（X2C）相對論方法的解析導數。“有一類化學反應涉及自旋多重度的變化，稱為‘多態反應’。多態反應需要考慮自旋軌道耦合，否則得不到正確的產物和能壘。”鄒文利說。自旋軌道耦合屬于一種相對論效應，而過去的相對論方法公式復雜，只能計算小分子的能量和簡單性質，無法像非相對論方法那樣通過解析導數技術，例如梯度、頻率及各種單電子性質來研究實際的物理、化學問題。直到2007年，相對論量子化學領域出現一項重大突破：劉文劍等學者提出了X2C方法，該方法在簡單、精度、效率三個方面都勝過早期的相對論方法，從而為推導相對論的導數公式并用于實際計算提供了可能。

實際上，早在南方衛理公會大學從事研究期間，鄒文利已經在Cremer的指導下開始了X2C導數的研究工作，陸續實現了X2C的各種導數和相應的程序。但不幸的是，X2C導數的計算量與非相對論導數相比增加了幾十到幾百倍，難以用于中等以上的分子體系。如何讓這個方法更實用？帶著這個問題，鄒文利回到國內。在一次討論中，劉文劍指出相對論效應的局域性是破解該難題的關鍵，令他豁然開朗。最近，鄒文利把相對論效應局域性與矩陣跡的循環性相結合，提出基于密度矩陣數學變換的X2C快速求導算法，在不損失精度的前提下，使X2C導數的計算量與非相對論導數的計算量相當，極大地縮小了二者在計算效率方面的差距。這項研究成果發表在理論化學算法方面的頂級刊物《化學理論與計算雜志》（Journal of Chemical Theory and Computation）。鄒文利打了個比方：“以前我們算一個中等規模分子的化學反應機理，用相對論方法可能得需要半個月的時間，現在只用花十分之一甚至百分之一的時間就能得到相同的結果，效果還是很明顯的。”由此，該方法成了真正具有實用價值的相對論量子化學方法，可用來研究重元素體系特別是錒系化合物復雜的化學反應，模擬這類體系的振動光譜，以及提供熱化學數據等。

在科學研究之外，鄒文利還熱心參與到國內學術社區的公益活動之中。例如，他2001年創建了首個全中文的量子化學資料網站“量子化學軟件中文網”（http://qchem.pw/）并維護至今；用筆名“Zork”翻譯大量英文資料和多部量子化學軟件的使用手冊，如ADF、Gaussian、Molpro、DIRAC；在幾個國內著名的量子化學論壇長期普及量子化學知識和進行軟件使用答疑。鄒文利解釋道：“我在自學量子化學過程中走過很多彎路，深知初學者的痛苦。我希望通過這些方式，讓更多的人認識、了解量子化學。如果有人因此愛上量子化學，并且愿意投身到量子化學的研究中，那么我的目的也就達到了。”

面對繁重的工作壓力，鄒文利的解壓方法就是聽相聲。晚上回家，他經常會打開手機聽馬三立、郭德綱等名家的相聲作品，有些段子他甚至都能背下來。“天津人嘛，就好這個”。鄒文利笑著說。樂觀、達觀并對未來始終充滿期待，這是鄒文利對待生活的態度，也是他對待科研的態度。他相信只要一直堅持下去，“下一顆巧克力”總會帶給他新的驚喜。