刘智攀:在算法世界里勾勒化学蓝图

2021-02-08 00:29:14 复旦大学

    编者按:2020年“科学探索奖”的评选中,物理学系张远波、生命科学学院鲁伯埙、化学系刘智攀共三位复旦青年科学家,分别在数学物理学领域、生命科学领域、化学新材料领域脱颖而出,荣获嘉奖。今天,让我们走近复旦大学化学系教授刘智攀,聆听他在科研领域不懈探索的故事。

    刘智攀

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    复旦大学化学系教授、博士生导师

    主要从事理论计算方法发展及理论计算在材料、催化等领域的应用,在固液界面催化动力学、全局势能面反应搜索、人工智能催化等领域取得重要成果。

    在人工智能技术渗透万物的今天,化学同计算机科学的结合何以可能?在算法的世界里,复旦大学化学系教授刘智攀正在描摹着未来化学的蓝图。

    “我们的理想是,未来的化学研究不用做实验,点一点鼠标,就能告诉你实验的结果如何。”刘智攀的研究,拓展着人们对于化学的想象——2005年以来,刘智攀课题组在理论计算领域发展了一系列新方法,并开发了全局神经网络势函数大规模原子模拟软件LASP,结合人工智能技术解决复杂催化问题。2020年,刘智攀获得“科学探索奖”,意味着计算模拟在化学领域的潜能得到了学界的主流认可。

    一切由兴趣指引,既深耕专业领域又兼具开阔的学科意识,刘智攀在学科交叉地带,让科研焕发出新的生命力。

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    出于兴趣的跨学科探索

           将他引向新兴领域    

    刘智攀对计算机的兴趣,在90年代初期的科技风潮中萌芽。“那时候,计算机刚出来,大街上有各种游戏机。”本科期间,虽然身在化学系,但他修读了计算机第二学位,而这一决定正是出于“好玩”。

    在当时,化学、计算机学是完全不搭界的两门专业。然而,这种“自由而无用”的出于兴趣探索,恰恰决定了刘智攀后来的研究方向。英国求学期间,他见识了化学同计算机结合的可能,并决定在这一领域展开自己的科研道路。

  

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    在刘智攀的眼中,跨学科视野是科研工作的必然。“很多学科已经发展了几十年,基本的框架都已经定好了。现在为什么要跨学科呢?这里面有两个原因:其一是方法论的要求,其二是应用的要求。”刘智攀认为。

    “方法论上的要求意味着你必须运用其他学科提出的新工具、新方案,应用的要求则意味着本学科的成果必须运用到其他学科领域。”刘智攀强调,当下的人才培养一定要注重培养开阔的学科意识。

    由于理论计算的跨学科性,其研究难度极大,可谓化学专业中最艰深的领域之一,这对学生的素质提出了很高的要求。刘智攀的学生们,不仅要懂化学,还要懂物理、计算机。    

    从理论研究、实验操作到计算机编程,课题组成员们有着丰富多元的研究取向。每次课题组的组会中,各种想法激烈碰撞、相互激发,成为了一种常态。充满活力的科研氛围,开阔了大家的思维,让老师和学生都获益匪浅。

平地起高楼

    在算法的园地修筑化学大厦    

    “复旦的物理化学在全国是数一数二的。”博士后归国后,刘智攀选择了来到复旦。而面对着催化反应理论的研究空白,刘智攀课题组进行的工作“都是以前不会的,需要迎难而上,从无到有,从方法到应用”。    

    从寻找反应过渡态的算法,到势能面结构探索、催化反应设计的算法,再到最近几年人工智能的算法,都是在解决“如何极大加速化学反应理论模拟”这个核心难题。理论方法的研发周期长,从灵感乍现,到程序实现,无不是多年公式推演、算法尝试、程序优化的结果。刘智攀团队在这条道路上缓慢而稳健地推进着。

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    2010年,刘智攀团队发展了周期性固液界面溶剂化方法,解决了固液界面反应模拟的难题,预测了光电条件水裂解制氢反应机制,多项成果连续发表在《美国化学会志》(Journal of American Chemical Society)。

    2013年,团队发明了随机势能面行走(SSW)方法 ,获得国家发明专利,开创了固固相变机理的研究,回答了诸如“如何转化石墨到金刚石”等人类历史上长期关注的难题。SSW方法的想法起源于2009年的一次国际会议的偶然学术讨论,至2020年方法已经迭代了5代,前后经过6个博士生的改进完善。

    2017年,团队发明了全局神经网络势函数(G-NN)方法,显著加速了量子力学计算,加速比超过10的4次方,研究成果第一次在线发表于《化学科学》(Chemical Science)。

    2019年,团队利用机器学习模拟,发现了ZnCrO氧化物合成气转化的催化活性位,解决了系列相关催化反应问题,相关成果发表于《自然·催化》(Nature Catalysis)。    

    同年,团队创制的LASP软件获得软件著作权。LASP是国际上唯一的基于全局神经网络势函数的原子模拟程序。截至2020年,软件已有10个国家注册用户,累计下载2000多次。

    从问题里寻找乐趣

    在冒险中探索真知

    深耕科研十余年,刘智攀对自身研究领域的兴趣不曾减退。在他眼里,科研的快感不在于做出最终的成就,而源于思索、挑战、克服的过程。

    “科研本身就应该是一个能够产生兴趣的东西。”刘智攀不喜欢重复性工作,他认为科研是面向未知的挑战,甚至是一种“冒险”。尽管解决问题的过程痛苦而漫长,但这一克服阻力的过程恰恰显示出强大的力量。

    对于科学家而言,“惊奇”是一种基本能力,目的是“问题”而非“结果”。面对一系列化学反应,刘智攀会问“为什么会反应?为什么长成这个结构,它就反应了?”他认为思考这些问题本身就 “很有意思”,而解决完问题之后,“感觉最好的时间就已经过了”。

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    强调科研的乐趣,也成为他培养学生的宗旨。“我要从底子上去培养他们对科学本身的兴趣,而不是对发表论文、取得成果的功利性的兴趣。    

    刘智攀常跟学生们说,你们爱做理论就做理论,爱做实验就做实验,两边都做也行。最好是到毕业的时候,这些技能你都有。因此他说,“学生在我这边都挺快乐的”。

    “跟随刘老师的这几年间,我笃信我们正在进行的科学研究是一件伟大的事,是能为人类谋福祉的事。而能够参与其中,是我莫大的荣幸。”在刘智攀课题组里“捣鼓实验”,化学系2018级博士生陈林认为找到了人生的目标。    

    怀抱着对科研的强烈兴趣,刘智攀深入科学的底部。他的化学研究,植根于广博的智识,和对事物本质的探索。“研究科学,你需要天文、地理、生物等等全都懂;而且每个东西都要进入到原子级别,知道它们跟我们生产实践哪些东西相关,这个才是真正的科学。”

    这种科研态度也感染着他的身边人。同一课题组的商城老师认为,“刘智攀老师有着‘知其然,更要知其所以然’的研究态度。在分析研究结果时,对于每一个结果必深挖其背后的物理本质;对于所使用的研究方法,必知其背后的科学原理。”

    从科研到育人,“兴趣”始终是刘智攀的关键词。正是兴趣让他的研究变得轻盈;而这种轻盈,成为他科研能量的强大源泉。

    

责任编辑:殷梦昊

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