大国院士第七百一十章 新的研究方向：量子化学
另一边，远在大西洋彼岸的日耳曼国，位于斯图加特市的马克斯·普朗克固体研究所。 在一间实验室中，一名穿戴着整齐实验服的中年教授正按照着流程对手中的一份锂硫电池进行着各种实验检测。 作为马克斯·普朗克名下的分支研究机构，再加上日耳曼人向来严谨认真的行事风格，也更注重实验的细节和精确性普朗克固体研究所的科研能力和学术声誉不用多说。 “卡兹，倾斜光纤布拉格光栅(tfbg)传感器的实验数据出来了吗？” 实验室中，中年教授霍尼·斯旺森处理好手中的锂硫电池样品后，朝着实验室另一角的研究助理询问道。 “刚好完成，教授。” 听到询问，青年研究助理快速的回复道。 “打印出来给我一份。”斯旺森教授动了动嘴唇，将眼前的实验检测设备开启，进行着新一轮的测试。 “好的，教授。” 快速的回复了一声，青年研究助理在电脑前操作了几下后，快速的朝着外面走去。 不一会，薄薄的几张实验数据报告就递了过来。 霍尼·斯旺森顺手接过来认真的翻阅着。 倾斜光纤布拉格光栅(tfbg)传感实验，是化学界最前沿的探测技术。目前能够应用这种实验设备和技术的研究所或实验室根本就没几家。 这是一种通过监测温度和折射率来跟踪控制锂硫电池的电解质-电极耦合变化，通过对电解液中硫浓度的定量检测，证明了li2s和硫的成核途径和结晶决定了循环性能的新型探测技术。 相对比传统的锂硫电池检测技术来说，这种新探测技术能够做到更好，更全面的了解锂硫电池在充放电实验中的内部变化。也能够更好的揭示多硫化物溶解\/沉淀与容量衰减之间的相关性。 “教授，那位徐教授，真的解决了锂硫电池中的多硫化合物扩散问题和穿梭效应吗？” 实验室中，沉寂了一会后，看着依旧盯着实验报告的的霍尼·斯旺森教授，研究助理终于忍不住了，小声的开口询问道。 虽然这次锂硫电池并非徐川研发的，而是川海材料研究所独立完成的，但相对比之下，人们往往会默认的将事实算到更出名的人头上。 相对比徐川来说，川海材料研究所的名声在学术界很显然弱了不止一个档次。 听到助理兼学生的询问，斯旺森抬起头，淡淡的开口道：“出于对科学的严谨，这个问题我恐怕暂时没法回答你。” 闻言，学生的脸上顿时浮现出了一抹失望的神色。 不过对面的斯旺森教授并没有停止自己的话语，在短暂的停顿了一下后，他将目光投向了自己手中的检测实验数据报告，接着补充道。 “不过从目前倾斜光纤布拉格光栅(tfbg)传感实验的检测数据来看，他们邮寄过来的样品，的确已经做到了解决这个难题。” 简单的补充了一句，霍尼·斯旺森没再理会自己的学生，而是将注意力再度集中到自己手中的报告上。 从检测的结果来看，锂硫电池中的多硫化合物扩散问题和穿梭效应毫无疑问已经得到了稳定的控制。 这意味着锂硫电池这种一直都处于实验研发阶段的‘电池科技’，即将走出实验室，进入千家万户中。 对于电池界和工业界来说，这无疑是一个剧烈的变化，甚至从某种程度上来说，它能推动整个时代的发展。 很简单，也很纯粹，就是锂硫电池的性能足够的优越！ 就从他们收到的实验样品来看，初步的检测数据表明它的能量密度高达两千质能量。 其他的不说，光是汽车行业，就将迎来颠覆性的改变。 应用这种锂硫电池的汽车，可以说将彻底的取代传统的化学燃料汽车，如今依旧占有一席之地的油车，或许要不了多久将全面的退出舞台了。 当然，对于他来说，他关注的重点并不在锂硫电池即将带来的改变上，而是在于实验数据中观察到的一些细节，以及那家川海材料研究所曾公开的另一项技术，那个很早就公开了的‘化学材料计算模型’。 或者说，是那个‘化学材料计算模型’的底层理论！ 事实上，早在五六年前那位徐教授提出化学材料计算模型理论的时候，化学界和工业界就曾将目光投向过这一领域，也着重了解过相关的理论和工具。 甚至一度在化学界和材料界掀起了计算材料学的新热潮。 毕竟按照那位徐教授的说法，当时的人工sei薄膜技术就和这套理论有关系。 不过随着时间的推移，川海材料研究所或者说这套化学材料计算模型后续一直都没有做出什么重大出色的成果，以至于计算材料学的热潮也随之跌落了下去。 毕竟如何成立精准有效而又普遍适用的化学反应的含时多体量子理论和统计理论，是二十一世纪化学领域中的四大难题之一，也是四大难题之首。 而当时那位徐教授在学术界才刚崭露头角，尽管他以优异的数学能力解决了霍奇猜想而拿到了菲尔兹奖。但谁都不相信，他能在另一个完全不同的领域中做出完全不亚于千禧年难题的成果。 毕竟研究这一难题的学者和实验机构可不止一个两个，这其中还包括了众多（超过一手之数）的诺奖得主。 比如2013年给复杂化学体系设计了多尺度模型三位诺化奖得主，比如对固体表面化学进程研究做出巨大贡献的格哈德·埃特尔等等。 这些顶尖学者在这一难题上都没有做出什么突破性的研究，就凭一个当时才二十岁出头的年轻人，怎么可能嘛。 然而从手中的论文和实验报告来看，那个曾经被化学界和材料学界备受关注的‘化学材料计算’不仅没有落幕，反而在经历岁月的沉淀后，重新回到了学术界的视野中，一举解决了多硫化合物扩散这一世界性难题。 隐隐中，霍尼·斯旺森觉得由那位徐教授亲手创造的‘化学材料计算理论’可能没那么简单。 将针对锂硫电池的测试实验交给了自己的学生后，霍尼·斯旺森收集了一些资料后，带着他们找到了自己的导师格哈德·埃特尔。 没错，他的导师就是2007年获得了诺贝尔化学奖的格哈德·埃特尔教授。 作为建立深入研究表面化学的方法，以展示不同实验过程产生表面反应的全貌的学者，格哈德·埃特尔在计算材料学上的研究可谓是深邃无比。 不过出生于1936年的他如今已经八十七岁近九十岁了。 尽管身体还算硬朗，但早已经退出前沿的学术界研究，隐居在柏林靠近‘普朗克·弗里茨·哈伯研究所’附近的别墅中。 他曾于1986年至2004年出任这家研究所的所长，后续也在这附近生活。 当听到自己这位曾经的学生过来的目的时，这位头发已经全白了的老教授眼神中带上了勃勃的兴致。 “化学材料计算数学模型？” 饶有兴趣的他从自己的学生手中接过了资料和文件，眼神认真的翻阅了起来。 徐川提出这位模型和理论的时候，这位老教授早就退出了化学界，尽管听说过，但并不是很了解相关的情况。 “有意思，通过事先对化学反应的材料相关信息与条件进行判断和条件输入，再通过数学来模拟整个反应的全过程” 翻阅着手中的资料，格哈德·埃特尔一眼就看出来了这份化学材料计算模型的核心。 “这是个很庞大的工程啊。” 简略的翻阅完手中的资料文件后，格哈德·埃特尔教授轻轻的合上了报告，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觉出这份理论和模型背后对应的缺陷。 “导师，您觉得这条路线继续完善下去，有没有可能为化学建立起一套精准有效而又普遍适用的化学计算模型？” 坐在客厅沙发对面，霍尼·斯旺森忍不住开口询问道。 听到这个问题，格哈德教授认真的思考了一下，随即轻轻的摇了摇头，道：“难，很难。” 顿了顿，他接着说道：“从你带过来的资料来看，不得不说那位徐川教授很敏锐的探索到了另一条化学材料计算的道路，通过大量的实验数据结合数学来建立起对化学过程的模拟。” “但这种方法的苛刻性太大，不仅需要繁多的各类实验数据以及每一种材料的不同化学和物理性质，且对于计算力的要求极高。” “这是一种很有意思的化学材料计算方式，能帮助我们解决目前在化学材料研发过程中的部分问题，但却很难为化学建立起一套精准有效且普遍适用的计算模型。” 霍尼·斯旺森一边自行的思索着优化的方式，一边开口问道：“那有没有解决的办法，导师？” 客厅中，格哈德教授在听到这个问题后也陷入思索中。 从问题来看，毫无疑问这又回答了最初的原点，即如何化学建立起一套精准有效且普遍适用的计算模型。 然而困难的是，目前的一些理论方法依旧无法做到对描述复杂化学体系进行描述，更别提将其转变成数学模型了。 在霍尼·斯旺森与格哈德·埃特尔两位师徒思索着如何为化学建立起一套精准有效且普遍适用的计算模型时。 另一边，华国，紫金山脚下的别墅群中。 师徒两人畅聊的主角，徐川也在自己的书房中思索着如何进一步优化自己手中的化学材料计算模型。 这算不上突如其来的想法。事实上，早在当初建立这个数学模型的时候，他就很清楚的知道这个模型的缺陷和问题。 而后续，材料学的专家张平祥院士以及普林斯顿化学系主任戴维·麦格米伦教授其实都提出过这个模型的缺陷和问题所在。 只不过一直以来，他都没什么时间去对其进行优化和完善。 而这一次，锂硫电池的研发让这个化学材料计算模型重新映入眼帘，让徐川觉得也是时候对其进行一次更新换代的理论处理了。 看着桌上杂乱的稿纸和各式各样的论文，徐川长舒了口气，手指交叉折叠抵在下巴上，陷入沉思中。 虽然材料的研发一直都是上辈子他的研究重点方向，不过要想为化学建立起一套精准有效且普遍适用的计算模型，依旧是一个可以说难以找到方向的事情。 计算化学是理论化学的一个分支，主要目的是利用有效的数学近似以及电脑程序计算分子的性质。 例如总能量、偶极矩、四极矩、振动频率、反应活性等，并用以解释一些具体的化学问题。 在为川海材料研究所编写的化学模型上，徐川就是这样做的。 但这并不影响他觉得这条路很难完全走通。 因为任何化学方法的计算量，都会随电子数的增加成指数或更快的速度增长。 所以大尺度的复杂化学体系几乎无法做到精确计算，除非研发出传说中‘量子计算机’，而且还是得成熟体系的那种，在配合上相当精确的理论方法进行计算才有可能做到。 川海材料研究所目前拥有的化学材料计算模型就是这样的。 随着各种分支模块和相关数据的添加，如今的数学模型已经成为了一个庞然大物了。 要不是早先就建立起来了大型超算中心，否则如何运行这个模型都是一个相当困难的事情。 “如果说，传统的化学理论很难走通计算化学这条道路，那尝试一下量子化学如何？” 手指交叉，两根大拇指抵住下巴的徐川瞳孔散发无神，脑海中思绪飘到了另一个领域和方向上。 化学的研究对象是归根结底是电子、原子核等微观物理间的相互作用。 而微观物体的运动规律，要说最好的方法，那就是在20世纪30年代发展起来的量子力学。 或许，量子化学的研究方法，会比传统的理论化学更适合研究计算化学。 而且，更关键的是，建立量子化学的是多体方法和计算方法。 这两者的基础在化学键理论、密度矩阵理论、传播子理论，以及多级微扰理论、群论和图论等等，大部分都在数学领域！ 找到了自己的研究方向，徐川脸上顿时带上了一抹笑容。 如果说在传统的化学上，他对自己没什么信心的话，那么在数学上，没有人会比他更适合了！