跟随孙翔教授一起走进上海纽约大学化学物理学:透过分子看世界

发布时间:2019-12-02 14:35:30    阅读量:5406

 

单个水分子作为肉眼不可见的微观粒子,对人们来说往往是抽象的,但若从单个水分子推及一杯水,探索微观性质如何能联系到宏观现象,一切就变得与现实息息相关起来。在孙翔教授看来,化学物理学就是这样一门可以“见微知著”的有趣学科。这门学科综合了化学和物理的研究特点——既研究物质的微观性质,又通过科学方法,从微观联系到宏观。“所有事物都是由基本的单位组成的,探索这些微观组成部分怎么能跟宏观世界联系起来,你不觉得这很有意思吗?”

 

抱着对化学物理学的热情,孙翔教授于2018年回国加入了上海纽约大学,教授化学课程并担任纽约大学化学博士项目导师,同时,他也加入了华东师范大学-纽约大学计算化学联合研究中心(上海纽约大学),专注于发展理论化学的计算方法。

 

目前,孙翔教授已被上海市教委评选为“青年东方学者”,同时入选上海市青年科技英才“扬帆计划”以及国家自然科学基金委青年科学基金。

 

这次,我们和孙翔教授聊了聊他的研究历程、成果,以及他对化学物理学领域的认知与展望。

 

01初心

问:您最初是如何对科学产生兴趣的?

 

答:因为好奇。人生来都是对这个世界好奇的,我们会问很多为什么,例如天为什么是蓝的,云为什么是白的等。像很多《十万个为什么》的读者一样,少年的我就立志做一名科学家,探索宇宙的奥秘。有幸的是,家庭和学校教育环境使我有了这样的机会,所以我也想努力地为上海纽约大学的同学营造一个环境,启发他们对于科学的求知欲与好奇心,并让他们知道,没有什么问题是愚蠢的,没有什么结论是显而易见的。我很喜欢著名物理学家理查德·费曼的一句话:“知道一个事物和知道一个事物的名字是不同的”。所以,一步步地用科学知识和逻辑理解这个自然界内涵的时候,我会觉得很有趣,思路很清楚,而且很有成就感。

 

问:是什么吸引您进入化学物理学领域的?

 

答:当时高考报志愿的时候我很纠结,因为我对物理和化学都感兴趣,直到我看到了中国科学技术大学化学物理系,我感觉它完美地解决了我的问题。这个系的特点是对物理、化学要求都很高,这就给了我们一个很有特色的优势——让我们能把二者的思维和研究方法结合起来,即利用现代物理学的原理研究具体有实际应用的化学体系,从而将理论和实践结合起来,这对我之后的研究方向有着重要影响。

 

在大学的学习中,我了解到是否可以发生化学反应是可以用热力学和量子力学从第一性原理来精确预测的。所以之后我在博士和博士后时期也都就集中于理论化学物理的研究。这一领域主要有两大核心任务,一个是在微观环境下研究原子分子如何相互作用,另一个是如何将微观作用联系、扩展到宏观。

 

问:可以跟我们分享一下您目前的研究方向吗?

 

答:我的主要研究兴趣是凝聚态中的量子动力学,例如分子受到光激发后的量子动力学模拟,以及这些过程的宏观可观测量如超快光谱的计算。简单来讲,当光打到分子上,分子就会吸收一部分能量,这部分多的能量就会以热或者辐射的形式弥散开来;在有机光伏分子中,这部分能量就会转化为正负电荷分离,也就是电子转移。我之前发展的光致电荷转移的理论可以在分子层面告诉我们这个电荷转移的速率,从而为设计更高效的太阳能电池材料提供理论依据。另一方面,在溶液中,这个吸收了光能的分子会跟溶剂分子相互作用,从而导致液体结构的变化。这个瞬态过程可以用超快光谱来表征,光谱手段也就可以帮助我们更好地理解能量和电子转移的微观机制,以达到调控它的目的。

 

溶液中的太阳能有机光伏分子

 

问:对于不了解这一领域的人,能否用通俗的语言解释一下这两项研究的意义? 

 

答:大致来说,我们感兴趣的是物质受到光照之后,多出来的能量如何转化的问题,微观上讲就是研究在很多分子的体系中,某些分子吸收光能之后如何跟周围分子相互作用。如同知道一个人的行为模式并不代表可以准确预测一群人的行为一样,虽然目前可以用量子力学准确计算单分子的性质,而在溶液里或者更一般地在一个凝聚态环境中,多体相互作用会使得其量子动力学变的复杂。比如说,捕光分子吸收光能后变的比较激动,多余能量可以通过光、热和电子转移等形式传导出来。我们利用理论计算的方法模拟复杂体系中此类过程的能量和电子转移动力学,理解其背后的微观机制有助于发现有机新能源材料,设计更高效环保的光电器件和太阳能电池等。

 

问:研究此类过程有什么具有挑战性的地方?

 

答:量子动力学其实是理论化学物理中最有挑战性的研究题目之一。实际上模拟有量子效应的分子体系,尤其是在凝聚态中不是简单增加计算资源的事,因为多体相互作用的计算复杂度随原子数增加呈指数级爆发,所以为了处理凝聚态体系,我们需要利用物理原理做一些合理的近似。例如在发展基于费米黄金规则的光致电荷转移速率的计算方法时,我们从量子力学的路径积分表述出发,对其进行线性近似得到半经典动力学方法,该方法可以抓住重要的量子效应例如量子隧穿效应,同时又可以处理纳米级大尺度的复杂体系。

 

02选择

问:您为何会选择当前的研究方向?

 

答:不是我选择了当前的研究方向,而是它们选择了我,就像朝着自由能下降的方向走一样自然。我博士期间主要研究液体的动力学性质和超快光谱的计算,通过对简单液体的研究,我发现即使这么简单的体系还是有些尚未辨明的性质,这使得我非常敬畏科学,不敢随便说我完全懂了。后来在博士后期间,我尝试研究凝聚态中的量子动力学,专攻凝聚态中光致电子转移问题,并取得了一些成果。但是了解的越多,我发现我不懂的也越多,在凝聚态量子动力学领域我还是一个小学生。

 

问:您为什么会选择加入上海纽约大学?

 

答:作为一名科研工作者,我觉得上海纽约大学整体的学术氛围比较开放,有利于我在自己感兴趣的领域更加自由地开展研究。其次,上纽大和国内外的科研资源都有着紧密的联系。本校的张增辉教授在量子动力学领域和生物大分子领域均有着卓越的成就;纽约大学化学系在理论化学领域有很强的实力以及多位杰出的研究者,比如Mark Tuckerman教授是路径积分方法、从头算分子动力学和统计力学领域的领军人物;Zlatko Bačić教授在限制体系中的分子量子力学和光谱有着突出贡献;张颖凯教授在生物体系的量子力学/分子力学计算也有着卓越贡献。这些计算化学杰出科学家的聚集与合作是上纽大独特的优势。值得一提的是,这几位知名教授都是华东师范大学-纽约大学计算化学联合研究中心(上海纽约大学)的成员。

 

问:您为什么会选择加入计算化学联合研究中心?

 

答:计算化学联合研究中心的配置可以说是“小而精”。上海纽约大学方面,我们三位教授都是做理论计算的,当大家都精通并专注于一个领域的研究,这种“集团效应”就会成倍地增大,使学科特色和优势更加突出。

 

此外,中心和其他学术机构的互动模式也非常好。中心和纽约大学全球体系以及国内外各大高校与科研机构有很紧密的联系,比如我们每半年会举办学术会议,还会开展各类工作坊,每次都有不同的主题。我们也常常邀请国内外学者来作报告,这些都是很好的交流机会,可以说联合研究中心在学术交流方面比较活跃。同时,我们的中心成员也已经开展了和纽约大学、华东师范大学以及其他国内外大学的研究合作。

 

03展望

问:作为青年科学家,您对未来的研究有怎样的规划和展望?

 

答:我之前的研究基本集中于两个方面,一个是凝聚态中的量子动力学,另一个是凝聚态中的超快非线性光谱。现在我准备把二者结合起来,提出这样一个科学问题:“在凝聚态中,物质受到光激发之后会有怎样的量子动力学效应以及如何检测,我们应该用何种理论计算方法捕捉它的主要矛盾。”基础方法的发展需要一步一个脚印,我们计划逐步建立起可以处理实际复杂体系的有效动力学方法和光谱模拟手段。

 

问:作为一名大学教授,您在学生培养方面有哪些实践和计划?

 

答:目前我在上海纽约大学为本科生开设了《大学基础化学》课程,指导本科生开展科研活动。同时我还参与华东师范大学-上海纽约大学联合培养研究生专项,招收硕士研究生。今年我负责协调的上海纽约大学化学博士项目也已启动。这个博士项目的各项政策标准,包括入学选拔、毕业条件、奖学金以及生活津贴等,与纽约大学化学博士项目一致。完成该博士项目的毕业生,将获得由纽约大学本部颁发的博士学位。欢迎感兴趣的同学申请。

 

我会对学生因材施教,一般有一个循序渐进的过程。当然,我们的学生肯定是需要有较为扎实的数理基础,但不一定刚开始就投入量子动力学算法开发。学生刚来会先修一些相关课程,同时做一些小的兴趣项目。这些小项目可以是学生感兴趣的任何东西,但万变不离其宗——都是运用经典力学去预测轨迹。比如对于宇宙感兴趣的学生,就可以模拟宇宙大爆炸;对篮球感兴趣的学生,就可以模拟不同位置投篮的命中率等。在这个过程中,学生的数学建模、简单编程、经典物理算法等科研技能就会得到充分开发,接下来整个分子动力学基础就逐渐清晰了,这也为后面量子动力学打下扎实基础。

 

其实,学过牛顿力学的大二学生完全有足够的知识背景和学习能力投入这种训练,听说过简谐振子的本科生就可以申请加入我们研究组(数学,物理,化学,计算机专业均可)。打好了基础再一步步增加复杂度,这个过程看起来慢,实际上手很快,就如同学习乐器时,先要以很慢的节拍速度把一段旋律的节奏练准,然后再增加速度,这样才有事半功倍的效果。

 

问:从更长远的角度来说,您对下一代化学人才培养有哪些见解?

 

答:虽然市面上已经有一些好的本科化学教材了,我觉得在一些方面还可以结合中英文教材的优点,叙述地更加全面、清晰、简练、成体系一些。现代化学已逐渐从利用归纳法总结经验规律的科学,过渡到利用演绎法从第一性原理推导出的科学。在相当多中学生的印象中,化学就是记忆一些反应,对于整个化学学科不得其中的要领。其实,化学反应是可以通过第一性原理描述的,从量子力学和统计热力学出发可以建立一个统一完整的框架,剩下的就是应用到不同具体体系。

 

这就好比去认识一头大象,你先认识整体,再去研究耳朵、鼻子这些部位,就能更加明晰它们之间以及与整体的关系,从而更好地认识各个部分。如果直接去学各个部位,即使都学会了,也无法有效地将它们联系为一个整体。例如,有机化学的学习就可以从分子轨道来理解,对于所有反应即使不做实验或计算,也会有很不错的定性预测。

 

另外,跨学科学习可以培养第一性原理思维,例如和数学、物理、生物、材料科学等的交叉。所以我的化学课上会提到很多交叉学科的概念,来帮助学生建立学科间概念的联系。如果能将这些内容纳入教材,学生对化学的认识就会更加系统和全面。当然,写一本通俗易懂而又概念准确的教材是不容易的,因为有时候生动形象会牺牲掉严谨性,作者要有数十年的教学科研的经验积累才能把这个平衡把握好。我不到知天命的年龄是不敢写的,但我有这个长期打算。