吉林大学理论化学计算国家重点实验室

链接地址:

http://tcclab.jlu.edu.cn/index.html

机构简介:

  (1)总体定位

  实验室建立的25年间,理论化学和实验化学的关系发生了显著的变化。目前,化学、材料学、生物学中诸层次的静态与动态信息可通过理论计算与模拟获得,越来越多的实验现象和数据通过计算手段而重现,从而得以正确地解释,并起到预测和指导实验的作用。现代的科学研究越来越趋向微观化,没有理论的基础,靠传统的实验方法与手段很难向前发展。因此,理论化学与实验化学的结合越来越紧密,其多学科交叉融合的特点越来越显著。

  理论化学于1998年和2013年两次获得诺贝尔化学奖,标志着化学逐步走向理论与实验均衡发展的格局,实验和理论的相互促进将使化学进入一个崭新的发展阶段,并将对相关学科的科学技术发展起到强有力的推动作用,同时对理论与计算化学提出了重大的挑战:

  光电子、微电子、新能源领域的迅速发展需要对材料的光电转换过程进行准确的理论描述,复杂体系的激发态及电荷转移过程的精确计算,是理论化学的一项重要任务; 飞秒、阿秒等时间尺度下技术的进步,使研究超快化学反应成为可能,迫切需要发展精确的动力学理论对含时薛定谔方程的精确求解; 随着纳米材料的迅猛发展,使理论化学的研究对象从分子尺度走向介观尺度、宏观尺度,需要发展连接微观-介观-宏观的多尺度模拟技术,并发展大尺度量子化学研究方法,明晰纳米体系的微观量子效应; 人类对生命现象的认识还处于初级阶段,2013年诺贝尔化学奖的研究工作,标志着复杂生物体系的计算机模拟研究成为可能,对生物体系、生命现象从理论高度去充分认识,是21世纪理论化学研究的主题之一。以上挑战性课题也是国际理论化学的前沿和难点。

  实验室针对国家战略需求和国家中长期科技发展规划,面向理论化学的国际前沿的难点和挑战,进一步拓展和凝练研究方向,体现理论化学计算国家重点实验室的自我特色,着重考虑建立自我特色的基础理论方法体系以及与材料科学、环境科学、生命科学、能源探索和星际探测等的学科交叉、渗透与融合,来确立实验室的总体定位、整体目标和研究方向。

  实验室总体定位为" 国际前沿化学基础理论研究、并密切结合国家科学发展和重大需求的理论化学研究" 。

  (2)整体目标

  根据国际理论化学的发展趋势,以自主科技创新和国家重大需求为导向,确定理论化学计算国家重点实验室的发展目标为:

  ① 面向国际理论化学的难点与挑战,在激发态理论方法、相对论量子化学、含时动力学理论方法、非基元化学反应速率计算方法、多尺度计算机模拟方法等方面提出新思想,建立新理论和相关的方法,在理论化学基础研究领域取得源头性创新成果,设计与开发具有自主知识产权的计算软件;

  ② 面向国家需求,以材料、环境、能源、生命科学以及星际探测为背景,发展研究介观尺度量子效应的模型化理论方法,进而进行新型分子和新功能材料的设计;

  ③ 培养优秀的中青年拔尖人才,拓展国际交流与合作,取得国际上有重要影响的研究成果,不仅为化学学科的发展做出重要贡献,同时为相关学科的发展提供有力的基础理论支撑。

  (3)研究方向

  围绕上述目标,实验室确定了以下五个主要研究方向:

  ①激发态理论方法与光电材料设计

  发展新的激发态理论方法,拓展组态相互作用和相对论效应研究方法的应用; 研究金属配合物光电材料、有机光电材料等的激发态电子结构和性质; 揭示发光、光电转换以及双光子吸收等过程的本质规律; 与实验紧密结合,设计新型高效的发光材料、光电转换材料和非线性光学材料。

  ②化学微观过程及反应控制规律

  发展含时的经典及量子动力学理论和方法; 研究与环境、材料、星际物质及表面催化密切相关的分子、自由基及离子等参与的复杂化学过程或极限条件下凝聚相中的微观机理; 为治理环境污染、探测星际分子、发现新物质和新物态提供理论依据。

  ③从团簇到纳米体系的结构与性能及分子设计

  拓展量子理论方法在纳米尺度研究中的应用,深入认识纳米体系中的各种相互作用本质(包括弱相互作用、成键规律等); 探索纳米体系结构与性质间的内在联系,阐明纳米体系独特的量子效应及其对纳米材料性能的影响; 通过化学修饰、物理调控、分子裁剪与组装等手段,设计新型功能纳米材料。

  ④聚合物多尺度结构与动力学模拟

  发展联接微观、介观与宏观的多尺度计算机模拟方法; 开发软物质体系多尺度模拟共享研究平台; 探索聚合物材料在不同尺度下的复杂结构及演化过程; 明确聚合物分子结构和聚集态结构与性质关系,为聚合物材料的制备及调控提供科学依据。

  ⑤复杂生物体系的计算机模拟

  结合量子力学、分子力学和分子动力学方法,研究蛋白质、核酸等生物大分子所参与的相互作用; 发展量子力学力场,模拟相关生物功能体系的微观作用过程; 为蛋白质组学、基因组学和药物设计提供理论线索。

  上述研究方向涉及从基础理论到程序设计、从化学的弱相互作用到强相互作用、从微观分子到宏观材料的一系列理论化学重大问题,充分体现了化学、数学、物理学、材料科学、生命科学、计算机科学等多学科交叉和融合的特点。