第七百一十章新的研究方向量子化學

大國院士 第七百一十章新的研究方向量子化學
另一邊，遠在大西洋彼岸的日耳曼國，位于斯圖加特市的馬克斯·普朗克固體研究所。在一間實驗室中，一名穿戴著整齊實驗服的中年教授正按照著流程對手中的一份鋰硫電池進行著各種實驗檢測。作為馬克斯·普朗克名下的分支研究機構，再加上日耳曼人向來嚴謹認真的行事風格，也更注重實驗的細節和精確性普朗克固體研究所的科研能力和學術聲譽不用多說。“卡茲，傾斜光纖布拉格光柵傳感器的實驗數據出來了嗎？”實驗室中，中年教授霍尼·斯旺森處理好手中的鋰硫電池樣品后，朝著實驗室另一角的研究助理詢問道。“剛好完成，教授。”聽到詢問，青年研究助理快速的回復道。“打印出來給我一份。”斯旺森教授動了動嘴唇，將眼前的實驗檢測設備開啟，進行著新一輪的測試。“好的，教授。”快速的回復了一聲，青年研究助理在電腦前操作了幾下后，快速的朝著外面走去。不一會，薄薄的幾張實驗數據報告就遞了過來。霍尼·斯旺森順手接過來認真的翻閱著。傾斜光纖布拉格光柵傳感實驗，是化學界最前沿的探測技術。目前能夠應用這種實驗設備和技術的研究所或實驗室根本就沒幾家。這是一種通過監測溫度和折射率來跟蹤控制鋰硫電池的電解質電極耦合變化，通過對電解液中硫濃度的定量檢測，證明了Li2S和硫的成核途徑和結晶決定了循環性能的新型探測技術。相對比傳統的鋰硫電池檢測技術來說，這種新探測技術能夠做到更好，更全面的了解鋰硫電池在充放電實驗中的內部變化。也能夠更好的揭示多硫化物溶解\/沉淀與容量衰減之間的相關性。“教授，那位徐教授，真的解決了鋰硫電池中的多硫化合物擴散問題和穿梭效應嗎？”實驗室中，沉寂了一會后，看著依舊盯著實驗報告的的霍尼·斯旺森教授，研究助理終于忍不住了，小聲的開口詢問道。雖然這次鋰硫電池并非徐川研發的，而是川海材料研究所獨立完成的，但相對比之下，人們往往會默認的將事實算到更出名的人頭上。相對比徐川來說，川海材料研究所的名聲在學術界很顯然弱了不止一個檔次。聽到助理兼學生的詢問，斯旺森抬起頭，淡淡的開口道：“出于對科學的嚴謹，這個問題我恐怕暫時沒法回答你。”聞言，學生的臉上頓時浮現出了一抹失望的神色。不過對面的斯旺森教授并沒有停止自己的話語，在短暫的停頓了一下后，他將目光投向了自己手中的檢測實驗數據報告，接著補充道。“不過.....從目前傾斜光纖布拉格光柵傳感實驗的檢測數據來看，他們郵寄過來的樣品，的確已經做到了解決這個難題。”簡單的補充了一句，霍尼·斯旺森沒再理會自己的學生，而是將注意力再度集中到自己手中的報告上。從檢測的結果來看，鋰硫電池中的多硫化合物擴散問題和穿梭效應毫無疑問已經得到了穩定的控制。這意味著鋰硫電池這種一直都處于實驗研發階段的‘電池科技’，即將走出實驗室，進入千家萬戶中。對于電池界和工業界來說，這無疑是一個劇烈的變化，甚至從某種程度上來說，它能推動整個時代的發展。很簡單，也很純粹，就是鋰硫電池的性能足夠的優越！就從他們收到的實驗樣品來看，初步的檢測數據表明它的能量密度高達兩千質能量。其他的不說，光是汽車行業，就將迎來顛覆性的改變。應用這種鋰硫電池的汽車，可以說將徹底的取代傳統的化學燃料汽車，如今依舊占有一席之地的油車，或許要不了多久將全面的退出舞臺了。當然，對于他來說，他關注的重點并不在鋰硫電池即將帶來的改變上，而是在于實驗數據中觀察到的一些細節，以及那家川海材料研究所曾公開的另一項技術，那個很早就公開了的‘化學材料計算模型’。或者說，是那個‘化學材料計算模型’的底層理論！事實上，早在五六年前那位徐教授提出化學材料計算模型理論的時候，化學界和工業界就曾將目光投向過這一領域，也著重了解過相關的理論和工具。甚至一度在化學界和材料界掀起了計算材料學的新熱潮。畢竟按照那位徐教授的說法，當時的人工SEI薄膜技術就和這套理論有關系。不過隨著時間的推移，川海材料研究所或者說這套化學材料計算模型后續一直都沒有做出什么重大出色的成果，以至于計算材料學的熱潮也隨之跌落了下去。畢竟如何成立精準有效而又普遍適用的化學反應的含時多體量子理論和統計理論，是二十一世紀化學領域中的四大難題之一，也是四大難題之首。而當時那位徐教授在學術界才剛嶄露頭角，盡管他以優異的數學能力解決了霍奇猜想而拿到了菲爾茲獎。但誰都不相信，他能在另一個完全不同的領域中做出完全不亞于千禧年難題的成果。畢竟研究這一難題的學者和實驗機構可不止一個兩個，這其中還包括了眾多的諾獎得主。比如2013年給復雜化學體系設計了多尺度模型三位諾化獎得主，比如對固體表面化學進程研究做出巨大貢獻的格哈德·埃特爾等等。這些頂尖學者在這一難題上都沒有做出什么突破性的研究，就憑一個當時才二十歲出頭的年輕人，怎么可能嘛。然而從手中的論文和實驗報告來看，那個曾經被化學界和材料學界備受關注的‘化學材料計算’不僅沒有落幕，反而在經歷歲月的沉淀后，重新回到了學術界的視野中，一舉解決了多硫化合物擴散這一世界性難題。隱隱中，霍尼·斯旺森覺得由那位徐教授親手創造的‘化學材料計算理論’可能沒那么簡單。......將針對鋰硫電池的測試實驗交給了自己的學生后，霍尼·斯旺森收集了一些資料后，帶著他們找到了自己的導師格哈德·埃特爾。沒錯，他的導師就是2007年獲得了諾貝爾化學獎的格哈德·埃特爾教授。作為建立深入研究表面化學的方法，以展示不同實驗過程產生表面反應的全貌的學者，格哈德·埃特爾在計算材料學上的研究可謂是深邃無比。不過出生于1936年的他如今已經八十七歲近九十歲了。盡管身體還算硬朗，但早已經退出前沿的學術界研究，隱居在柏林靠近‘普朗克·弗里茨·哈伯研究所’附近的別墅中。他曾于1986年至2004年出任這家研究所的所長，后續也在這附近生活。當聽到自己這位曾經的學生過來的目的時，這位頭發已經全白了的老教授眼神中帶上了勃勃的興致。“化學材料計算數學模型？”饒有興趣的他從自己的學生手中接過了資料和文件，眼神認真的翻閱了起來。徐川提出這位模型和理論的時候，這位老教授早就退出了化學界，盡管聽說過，但并不是很了解相關的情況。“有意思，通過事先對化學反應的材料相關信息與條件進行判斷和條件輸入，再通過數學來模擬整個反應的全過程......”翻閱著手中的資料，格哈德·埃特爾一眼就看出來了這份化學材料計算模型的核心。“這是個很龐大的工程啊。”簡略的翻閱完手中的資料文件后，格哈德·埃特爾教授輕輕的合上了報告，忍不住感慨了一句。以他的眼光，在了解到了核心后自然很容易就能察覺出這份理論和模型背后對應的缺陷。“導師，您覺得這條路線繼續完善下去，有沒有可能為化學建立起一套精準有效而又普遍適用的化學計算模型？”坐在客廳沙發對面，霍尼·斯旺森忍不住開口詢問道。聽到這個問題，格哈德教授認真的思考了一下，隨即輕輕的搖了搖頭，道：“難，很難。”頓了頓，他接著說道：“從你帶過來的資料來看，不得不說那位徐川教授很敏銳的探索到了另一條化學材料計算的道路，通過大量的實驗數據結合數學來建立起對化學過程的模擬。”“但這種方法的苛刻性太大，不僅需要繁多的各類實驗數據以及每一種材料的不同化學和物理性質，且對于計算力的要求極高。”“這是一種很有意思的化學材料計算方式，能幫助我們解決目前在化學材料研發過程中的部分問題，但卻很難為化學建立起一套精準有效且普遍適用的計算模型。”霍尼·斯旺森一邊自行的思索著優化的方式，一邊開口問道：“那有沒有解決的辦法，導師？”客廳中，格哈德教授在聽到這個問題后也陷入思索中。從問題來看，毫無疑問這又回答了最初的原點，即如何化學建立起一套精準有效且普遍適用的計算模型。然而困難的是，目前的一些理論方法依舊無法做到對描述復雜化學體系進行描述，更別提將其轉變成數學模型了。......在霍尼·斯旺森與格哈德·埃特爾兩位師徒思索著如何為化學建立起一套精準有效且普遍適用的計算模型時。另一邊，華國，紫金山腳下的別墅群中。師徒兩人暢聊的主角，徐川也在自己的書房中思索著如何進一步優化自己手中的化學材料計算模型。這算不上突如其來的想法。事實上，早在當初建立這個數學模型的時候，他就很清楚的知道這個模型的缺陷和問題。而后續，材料學的專家張平祥院士以及普林斯頓化學系主任戴維·麥格米倫教授其實都提出過這個模型的缺陷和問題所在。只不過一直以來，他都沒什么時間去對其進行優化和完善。而這一次，鋰硫電池的研發讓這個化學材料計算模型重新映入眼簾，讓徐川覺得也是時候對其進行一次更新換代的理論處理了。看著桌上雜亂的稿紙和各式各樣的論文，徐川長舒了口氣，手指交叉折疊抵在下巴上，陷入沉思中。雖然材料的研發一直都是上輩子他的研究重點方向，不過要想為化學建立起一套精準有效且普遍適用的計算模型，依舊是一個可以說難以找到方向的事情。計算化學是理論化學的一個分支，主要目的是利用有效的數學近似以及電腦程序計算分子的性質。例如總能量、偶極矩、四極矩、振動頻率、反應活性等，并用以解釋一些具體的化學問題。在為川海材料研究所編寫的化學模型上，徐川就是這樣做的。但這并不影響他覺得這條路很難完全走通。因為任何化學方法的計算量，都會隨電子數的增加成指數或更快的速度增長。所以大尺度的復雜化學體系幾乎無法做到精確計算，除非研發出傳說中‘量子計算機’，而且還是得成熟體系的那種，在配合上相當精確的理論方法進行計算才有可能做到。川海材料研究所目前擁有的化學材料計算模型就是這樣的。隨著各種分支模塊和相關數據的添加，如今的數學模型已經成為了一個龐然大物了。要不是早先就建立起來了大型超算中心，否則如何運行這個模型都是一個相當困難的事情。“如果說，傳統的化學理論很難走通計算化學這條道路，那嘗試一下量子化學如何？”手指交叉，兩根大拇指抵住下巴的徐川瞳孔散發無神，腦海中思緒飄到了另一個領域和方向上。化學的研究對象是歸根結底是電子、原子核等微觀物理間的相互作用。而微觀物體的運動規律，要說最好的方法，那就是在20世紀30年代發展起來的量子力學。或許，量子化學的研究方法，會比傳統的理論化學更適合研究計算化學。而且，更關鍵的是，建立量子化學的是多體方法和計算方法。這兩者的基礎在化學鍵理論、密度矩陣理論、傳播子理論，以及多級微擾理論、群論和圖論等等，大部分都在數學領域！找到了自己的研究方向，徐川臉上頓時帶上了一抹笑容。如果說在傳統的化學上，他對自己沒什么信心的話，那么在數學上，沒有人會比他更適合了！.......

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