追忆刘若庄院士:他开创了全新应用量子化学研究方向

来源:中新网 编辑:李 娜2020-10-16 09:22:19
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  他开创了全新应用量子化学研究方向

  ——追忆我国计算化学奠基人刘若庄院士

  留声机

  10月8日,我国计算化学奠基人、著名物理化学家、中国科学院院士、北京师范大学化学学院教授刘若庄因病医治无效,在北京逝世,享年95岁。  

  刘若庄开创了中国电子结构计算,并持续推动中国计算量子化学的发展。他还是国际上最早进行电子结构计算的学者之一,在国际上享有很高的声望。

  他长期从事分子间相互作用、化学键和化学反应理论的研究,先后在氢键、配位场理论方法、有机导体和半导体理论计算、激发态势能面和光化学反应机理探索等方面取得了丰硕成果。

  为我国量子化学发展开创新方向

  1947年,刘若庄从北京辅仁大学化学系毕业,并考入北京大学理科研究所化学部攻读研究生学位,师从号称北大“三大民主教授”之一的袁翰青教授。1950年尚未毕业的刘若庄留校工作,成为了物理化学家唐敖庆教授的助教,从此开始了教学和科研之路。

  刘若庄在跟随唐敖庆进行科学研究时,逐渐将注意力放在化学反应的理论应用上,并形成将已有理论应用于实际例子以说明或解决问题的科研思路。这也为我国量子化学的发展开创了一个新的方向,即应用量子化学。

  1951年,刘若庄被聘请到辅仁大学任教。因1952年全国高校院系调整,他随辅仁大学化学系一同并入北京师范大学。

  1955年,刘若庄重新拾起因繁重教学任务而被搁置的科学研究。受《化学键的本质》一书及唐敖庆教授文章的启发,他开始研究水分子间氢键的键能课题。

  氢键,是氢原子同时和两个电负性较大的原子如氮、氧、硫结合形成的相互作用。这种相互作用广泛存在于有机体系和生物体系,是深入理解化学反应和生命现象及过程的不可忽略的基本科学问题。

  刘若庄将化学键作用能的近似计算公式和理论方法应用于计算氢键作用,从量子力学原理出发得到水分子模型,计算水分子中氢键的键能,从而说明了形成氢键的主要作用力。这种创造性地利用电子云的概念解释氢键本质的方法远优于当时国际上流行的点电荷模型。

  随后刘若庄又对氢键进行了其他方面研究。

  上世纪60年代初期,他带领学生研究紫外吸收光谱,通过对比其他形成氢键的体系的实验现象,证实异丁基异腈、异丙基异腈与萘酚之间可以形成氢键,并且从量子化学角度,采用电子配对法,对异腈与羟基形成氢键的共价成键作用的大小以及离位能进行计算,从理论上说明异腈与羟基之间能够形成氢键。

  这项工作被列入1965年全国科学技术研究成果。刘若庄的理论与实验相结合的科研思路不仅走通了,走得还分外顺利。这在上世纪60年代前后,无疑是超前的。

  打开我国理论化学对外联系的窗口

  1978年,刘若庄出任国家科委化学学科组成员,并创建了北京师范大学量子化学研究室,该研究室是中国运用量子化学手段研究实际化学体系的重要基地,也是中国理论化学对外联系的重要窗口之一。

  上世纪80年代是量子化学,包括计算化学的分水岭,计算化学在90年代飞速发展,并大放异彩。刘若庄在当时相当困难的条件下,在国内最早提出将量子化学理论和计算方法应用于研究化学反应途径和沿反应途径的动态学问题,形成了达到国际水平的系统研究成果,为我国计算化学事业作出了突出的贡献。

  上世纪80年代,他带领课题组通过高精度计算反应过渡态和反应途径的内禀反应坐标(IRC),对许多有意义的有机反应的机理进行研究,并提出了解释和预测。同时,他们对导电高分子结构与性能进行研究,发展了定量微扰晶体轨道法,为设计新型高分子提供理论依据,达到国际先进水平。

  1981年,他被国务院批准为第一届博士研究生导师,同时也在量子化学研究室带研究生,他的很多学生后来成为国内外量子化学领域的知名学者。

  1984年和1989年,刘若庄两次应邀在太平洋化学大会上作学术报告,报告的计算化学成果引起了国际上同行的极大关注,也使他们对十年动乱后中国科学的发展速度刮目相看。

  1985年,刘若庄被选为国际理论有机化学家联合会会员。他在化学反应势能面的研究成效尤为显著。他与合作者扩展了当时国际先进的梯度优化过渡态新方法,编制了可用于包括重原子体系赝势梯度法程序提出了确定反应中间体过渡态的结构新方法:结合能量分解法,研究了烯烃加成的取化基效应及异构化效应,并提出了若干新概念及新见解。他也因此荣获1989年国家自然科学奖三等奖。

  “搞科研首先要有自己的研究方向,要有自己的想法。要老跟着原先导师做,就不会有自己的发展。其次,搞科研要不怕吃苦,做科学研究要有执着精神。一个人哪怕只做出一点点的成绩,都需要艰苦奋斗,没有什么巧的路可走。我觉得我是中等人才,不是什么特别聪明的人,但我很努力。”刘若庄生前曾说,“教了一辈子的书,能够成为对学生在做人、做学问方面有所帮助的好老师,是我一生的追求。我希望我做到了这一点。”