邹文利：“写”出中国人自己的量子化学软件

李晓文

随着科技日新月异的发展，我们日常所用的手机、笔记本电脑及近年来出现的电动汽车，都离不开新型材料。为了减少环境污染和降低实验成本，材料科学家们往往先进行量子化学模拟，从大量候选材料中筛选出具有特定性质并满足一定要求的样品，再通过一些实验加以验证。

事实上，作为当代化学的一个分支学科，量子化学已被广泛应用于生物、医药、材料、环境、能源、军事等多个领域，它对分子、材料的结构及性质的解释和预测是任何其他工具所不能替代的。但对于大多数科学家来说，他们关心的只是计算结果，没有必要、也不可能弄清楚量子化学计算的每个细节，此时就可以借助量子化学计算软件来解决问题。然而，目前国产的量子化学计算软件极少，几乎所有的计算工作都是用国外软件完成的。为了改变这一现状，西北大学现代物理研究所教授邹文利夜以继日地忙碌着……

“人生就像一盒巧克力”

理论化学是通过理论计算而非实验手段来研究化学问题的一门学科，其中最主要的分支是量子化学。量子化学源于量子力学，其理论基础是薛定谔方程。1998年的诺贝尔化学奖授予了Walter Kohn和John Pople二人，表彰他们在量子化学领域做出的突出贡献：前者提出了当今被广泛使用的密度泛函理论，后者不仅发展出各种量子化学方法，还开发了著名的量子化学软件Gaussian。

邹文利这样评价量子化学软件的重要性：“如果把应用量子化学软件研究具体问题比作上阵杀敌的话，那么开发量子化学软件的部门就相当于兵工厂。”21世纪以来，我国在量子化学领域取得了不少令人瞩目的研究成果，涌现出一批具有国际影响力的学者，但从总体上看，本领域对国外软件的依赖非常严重，未摆脱技术受制于人的地位。尤其是最近发生的几所高校被美国禁用MATLAB软件的事件，使国产科学计算软件的研发变得迫在眉睫。正如著名理论化学家、中国科学院院士黎乐民先生2016年在《中国学科发展战略·理论与计算化学》一书中指出的,“总体而言，我国理论与计算化学在国际理论与计算化学界的地位还不是很高，除了缺少一批大师级的领军人才，没有研发出独立完整、功能强大的计算软件是最主要的原因”“发展我国拥有自主知识产权的计算化学平台已成为促进我国理论与计算化学学科发展的紧迫战略措施之一。”

邹文利

虽然量子化学软件非常重要，但事实上，国内从事这一领域的科研工作者并不多。邹文利解释道：“一个很重要的原因是，该研究领域是物理学、化学、数学及计算机的交叉学科，需要研究者不仅具备扎实的数理化理论功底，还要熟练掌握计算机编程技巧。这就把很多想涉足该领域的学生拒之门外。”当被问及是如何进入这一领域时，邹文利笑着回答说：“可以用四个字来概括——误打误撞。”

回国前夕与Cremer课题组成员合影

1994年，邹文利顺利考上南开大学物理系，这让他半是欣喜半是忧虑。“我非常喜欢化学，高考填志愿的时候，本来选的全是化学相关专业。可是误把光学当成了光化学，就被录取到物理系了。”为了更贴近化学，本科毕业后，邹文利留在南开大学现代光学研究所，从事分子光谱研究。读研期间，导师从美国买了一台光谱仪器，但却被美国海关以违禁品的名义扣下。等收到仪器已是一年后，而且很多关键零部件也缺失了。虽然经过了多次尝试和努力，但邹文利的实验结果还是不理想，最后邹文利在导师的支持下自学量子化学，用理论模拟的方法补全了缺失的光谱数据。这件事让他一方面感叹理论计算的强大威力，另一方面也深刻地认识到，只有冲破国外的束缚和限制，依靠本国的软件和仪器，才能真正实现我国科技的发展与进步。

博士毕业后，邹文利希望能加入一个致力于开发国产量子化学软件的团队，恰好著名理论化学家刘文剑教授刚刚获聘“长江学者”，从德国回到北京大学任教，于是没有任何编程基础的邹文利成为刘文剑团队的首批博士后，从事能带理论的软件开发。刘文剑教授在理论化学领域的研究成果十分丰硕，他曾在不到两年的时间里连续捧得了理论化学界的三项国际大奖，是业内的翘楚。邹文利坦言，刘文剑教授对他影响深远，是他人生中最重要的人之一。“大家都知道，论文是衡量科研成果的重要标志。但我们搞量子化学软件开发，往往几年才能出一个成果，不可能发表很多论文。刘教授告诉我们，‘不要追求发表论文的数量，而要力图每一篇论文都能解决一个重要的科学问题’。他希望我们厚积薄发，踏踏实实地做出一些有特色和高水平的研究工作出来。”邹文利说。

为了开拓视野，2007年离开北大后，邹文利先后到美国的得克萨斯大学奥斯汀分校和南方卫理公会大学从事博士后研究工作。在后者，邹文利遇到了另一位对他影响深远的人物——Dieter Cremer。Cremer是1998年诺贝尔化学奖得主Pople的学生，但是与科班出身的大多数量子化学家不同，Cremer最早学习经商，子承父业接管家族企业，后来又做过报社记者和编辑，直到30岁以后才进入化学领域，这些丰富的社会阅历使他总是从独特的视角看问题。例如，他善于和实验化学家打交道，根据他们最关心的问题，有针对性地发展计算方法。也许是Cremer看中了邹文利的物理专业背景，Cremer把课题组历年积攒的难点课题全部交给他，为此他夜以继日地查资料、推公式、写代码、调程序，经常一天只睡三四个小时，最后终于解决了这些难题，并且在学术上也有巨大收获。

2015年，当邹文利准备回国时，却发现自己处于一个非常尴尬的境地。“发表理论化学算法的学术刊物很少，影响因子也不高，导致这个研究领域在国内很多高校和科研单位不受重视。我不知道自己该何去何从。”面对人生的十字路口，刘文剑教授为他指明了方向——去西北大学继续从事理论化学研究工作。

西北大学坐落于古都西安市，是教育部与陕西省人民政府共建的综合性全国重点大学，理论化学是它的优势学科之一，其中以文振翼教授为首的团队开发的量子化学软件Xi’an-CI已被国内外多家单位使用。“另外，很多年轻同事都有在刘文剑课题组学习或工作的经历，双方的联系也比较紧密，所以西北大学研究理论化学的学术氛围还是比较好的。在这里，我可以全身心地投入到自己所热爱的研究领域中。”回想起自己经历的种种，邹文利感慨道，“人生就像一盒巧克力，如果不打开就永远不知道下一颗是什么样子，会是什么味道。”

良师益友为伴，实现多项突破

在西北大学的4年里，邹文利的主要工作之一是开发和完善BDF（Beijing Density Functional）软件。邹文利介绍道，“BDF是目前唯一功能比较完整的国产量子化学软件，90年代初我的老师刘文剑跟随黎乐民先生攻读博士研究生的时候就在开发这个软件，当时以密度泛函理论为主”。密度泛函理论（Density functional theory，DFT）是一种计算量相对较小且具有足够计算精度的第一性原理方法，广泛用于处理复杂的大分子体系。与国外同类软件不同的是，BDF的特色在于相对论方法，支持标量、二分量、四分量相对论的DFT，擅于计算含有重元素的分子和材料。

2010年以后，根据量子化学的未来发展趋势，刘文剑团队决定重写BDF软件，邹文利于2016年回国后也参与其中。“刘老师既是我的老师也是我的朋友，尽管当年离开课题组后，我去了美国求学，但不管在科研工作方面，还是在生活方面，我们仍然经常交流。而我在西大的团队也与刘老师长期保持着合作关系，我很荣幸能够一直参与到BDF的开发中。”邹文利说。

“近几十年国外出现过很多量子化学软件，但是很大一部分后来都销声匿迹了，要么是没有特色导致用户太少，要么随着作者的转行、离世而停止开发。一个量子化学软件要想生存下去，一要有稳定的开发团队，二要有自己的特色与强项，三要能与应用相结合。最近几年，BDF发展迅猛，开发团队日益扩大，实现了很多有特色的计算方法，例如用于原子轨道积分的快速求解程序，基于分块的低标度电子相关方法，用于开壳层体系激发态的XTDDFT计算方法，计算任意能量范围内全部激发态的iVI方法，用于模拟生物大分子的大规模异构并行DFT等。”邹文利介绍道。

在开发和完善BDF中，邹文利负责的一项重要工作是实现“精确二分量”（X2C）相对论方法的解析导数。“有一类化学反应涉及自旋多重度的变化，称为‘多态反应’。多态反应需要考虑自旋轨道耦合，否则得不到正确的产物和能垒。”邹文利说。自旋轨道耦合属于一种相对论效应，而过去的相对论方法公式复杂，只能计算小分子的能量和简单性质，无法像非相对论方法那样通过解析导数技术，例如梯度、频率及各种单电子性质来研究实际的物理、化学问题。直到2007年，相对论量子化学领域出现一项重大突破：刘文剑等学者提出了X2C方法，该方法在简单、精度、效率三个方面都胜过早期的相对论方法，从而为推导相对论的导数公式并用于实际计算提供了可能。

实际上，早在南方卫理公会大学从事研究期间，邹文利已经在Cremer的指导下开始了X2C导数的研究工作，陆续实现了X2C的各种导数和相应的程序。但不幸的是，X2C导数的计算量与非相对论导数相比增加了几十到几百倍，难以用于中等以上的分子体系。如何让这个方法更实用？带着这个问题，邹文利回到国内。在一次讨论中，刘文剑指出相对论效应的局域性是破解该难题的关键，令他豁然开朗。最近，邹文利把相对论效应局域性与矩阵迹的循环性相结合，提出基于密度矩阵数学变换的X2C快速求导算法，在不损失精度的前提下，使X2C导数的计算量与非相对论导数的计算量相当，极大地缩小了二者在计算效率方面的差距。这项研究成果发表在理论化学算法方面的顶级刊物《化学理论与计算杂志》（Journal of Chemical Theory and Computation）。邹文利打了个比方：“以前我们算一个中等规模分子的化学反应机理，用相对论方法可能得需要半个月的时间，现在只用花十分之一甚至百分之一的时间就能得到相同的结果，效果还是很明显的。”由此，该方法成了真正具有实用价值的相对论量子化学方法，可用来研究重元素体系特别是锕系化合物复杂的化学反应，模拟这类体系的振动光谱，以及提供热化学数据等。

在科学研究之外，邹文利还热心参与到国内学术社区的公益活动之中。例如，他2001年创建了首个全中文的量子化学资料网站“量子化学软件中文网”（http://qchem.pw/）并维护至今；用笔名“Zork”翻译大量英文资料和多部量子化学软件的使用手册，如ADF、Gaussian、Molpro、DIRAC；在几个国内著名的量子化学论坛长期普及量子化学知识和进行软件使用答疑。邹文利解释道：“我在自学量子化学过程中走过很多弯路，深知初学者的痛苦。我希望通过这些方式，让更多的人认识、了解量子化学。如果有人因此爱上量子化学，并且愿意投身到量子化学的研究中，那么我的目的也就达到了。”

面对繁重的工作压力，邹文利的解压方法就是听相声。晚上回家，他经常会打开手机听马三立、郭德纲等名家的相声作品，有些段子他甚至都能背下来。“天津人嘛，就好这个”。邹文利笑着说。乐观、达观并对未来始终充满期待，这是邹文利对待生活的态度，也是他对待科研的态度。他相信只要一直坚持下去，“下一颗巧克力”总会带给他新的惊喜。