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总论 理论与计算化学发展战略纵览 1

第一节 理论与计算化学在基础科学中的地位 1

一、化学在经济社会发展中的作用 1

二、理论与计算在化学发展过程中发挥重要作用 2

第二节 学科内涵、发展历程与规律 4

一、理论与计算化学的内涵 4

二、学科发展历程 5

三、学科发展规律和特点 7

第三节 学科发展现状与发展态势 7

一、理论与计算化学发展现状 7

二、学科发展趋势与显现的特征 9

三、我国理论与计算化学发展情况 10

第四节 发展战略思路 15

一、理论与计算化学发展前景和面临的挑战性难题 15

二、学科发展战略思路要点 17

第五节 发展方向：关键科学问题和学科重要研究前沿 18

一、学科整体的重要研究前沿与关键科学问题 18

二、各分支学科核心科学问题与研究前沿 20

第六节 资助机制与政策建议 22

一、战略性措施 22

二、对资助机制与政策措施的建议 23

第七节 小结 24

第一篇 电子结构理论与计算方法 29

第一章 电子结构理论与计算方法概述 29

第二章 波函数电子相关方法的进展及展望 38

第一节 引言 38

第二节 多组态自洽场方法和组态相互作用方法 39

第三节 耦合簇方法 43

第四节 显式相关方法 47

第五节 未来的发展方向 49

第三章 量子化学中的密度矩阵重整化群方法 52

第一节 引言 52

第二节 DMRG传统的形式和语言 54

第三节 矩阵乘积态 56

第四节 算法中的微扰修正和noise的加入 60

第五节 对称性的问题 60

第六节 激发态的问题 61

第七节 DMRG在量子化学中的新发展 62

一、轨道排序和轨道类型的问题 62

二、DMRG-CASSCF及其他方法优化分子轨道 63

三、超越MPS的张量网络态 64

四、结合动态相关计算方法的DMRG-CASPT2和DMRG-CT 65

第八节 总结和展望 66

第四章 价键理论方法 70

第一节 引言 70

第二节 从头算价键理论方法进展 71

一、基于离域轨道的价键理论方法 72

二、基于定域轨道的价键理论方法 72

三、基于分子轨道方法波函数分析 75

四、考虑凝聚态体系的价键理论方法 75

第三节 价键理论方法关键问题 76

第五章 微扰理论的发展现状及展望 80

第一节 引言 80

第二节 单参考态微扰理论 81

一、单参考态闭壳层微扰理论 81

二、单参考态开壳层微扰理论 82

第三节 多参考态微扰理论 83

第四节 显含r12的微扰理论 86

第五节 Monte Carlo方法在微扰理论中的应用 87

第六节 总结 87

一、微扰理论的优点 87

二、微扰理论的缺点 88

第七节 展望 88

第六章 密度泛函理论基础进展及其与多体理论的关系 92

第一节 引言 92

第二节 发展现状综述和评价 94

一、从分数电荷／自旋的角度审视离域误差和静态误差 94

二、绝热连接：建立密度泛函理论与多体理论之间的联系 98

第七章 近似密度泛函的发展 106

第一节 主要科学问题 106

第二节 现有近似泛函的大致分类 106

第三节 近似泛函的系统评测 107

一、生成热 109

二、带电物种 109

三、键能 109

四、反应能垒 110

五、非共价键相互作用 110

第四节 近似泛函的重要误差来源 110

第五节 亟待解决的重大问题 112

第六节 可能解决问题的途径 114

第七节 20篇标志性论文 114

第八章 TDDFT的发展与在激发态计算和开放体系中的应用 123

第一节 引言 123

第二节 历史与现状 124

一、基本TDDFT方法 124

二、泛函形式的发展 126

三、TDDFT线性标度计算 129

四、强电磁场过程 131

五、流密度泛函理论 132

六、开放体系与量子输运 133

第三节 展望与建议 137

第九章 多体格林函数方法 140

第一节 引言 140

第二节 理论框架 141

一、单粒子格林函数和双粒子格林函数 142

二、Dyson方程、Hedin方程和GW方法 143

三、Bethe-Salpeter方程 144

第三节 发展历程 146

一、GW方法 146

二、Bethe-Salpeter方程 149

三、计算程序和应用 151

第四节 发展趋势 152

一、自能算符的进一步深入研究 152

二、处理简并体系相关理论方法的研究 152

三、处理双激发现象相关理论方法的研究 153

四、激发态作用力计算方法的研究 153

五、电声相互作用对电子结构和激发态影响的研究 153

六、自能算符快速计算方法的研究 153

第十章 强关联材料的第一性原理电子结构理论 156

第一节 引言 156

第二节 基于对LDA／GGA修正的第一性原理方法 157

一、LDA＋U方法 158

二、杂化泛函 158

三、SIC-LDA 159

第三节 基于格林函数的第一性原理多体理论方法 160

第四节 结合模型哈密顿量的第一性原理方法 161

一、downfolding概念 161

二、Hubbard U值的第一性原理计算 162

三、LDA- DMFT方法 163

四、GW＋DMFT方法 164

第五节 总结与展望 166

第十一章 相对论分子量子力学中的若干基本问题与解决方案 169

第一节 引言 169

一、相对论效应 169

二、量子电动力学效应 171

三、相对论分子量子力学 172

第二节 相对论哈密顿 173

一、全电子相对论哈密顿 173

二、价电子相对论哈密顿 177

第三节 相对论电子相关 179

第四节 相对论电子性质 179

第五节 结论与展望 180

第十二章 量子蒙特卡罗方法 184

第一节 引言 184

第二节 变分蒙特卡罗方法 185

第三节 实几何空间格林函数蒙特卡罗方法 186

一、固定节面扩散蒙特卡罗方法 188

二、自修复节面扩散蒙特卡罗方法 190

第四节 反对称组态空间蒙特卡罗方法 191

一、全组态相互作用量子蒙特卡罗方法 191

二、辅助场量子蒙特卡罗方法 193

第五节 蒙特卡罗方法中的激发态计算问题 194

第六节 含时量子蒙特卡罗方法 195

第七节 减少QMC计算误差的算法 196

一、表层塌滑量子蒙特卡罗方法 196

二、减少方差、偏差的方法和力的计算 197

第八节 总结与展望 199

一、量子蒙特卡罗方法的优点 199

二、量子蒙特卡罗方法的缺点与待解决的主要难题 199

三、展望 200

第十三章 约化密度矩阵理论 203

第一节 引言 203

第二节 二阶约化密度矩阵理论 204

一、二阶约化密度矩阵的N-可表示问题 204

二、变分二阶约化密度矩阵理论 206

三、收缩的薛定谔方程 208

第三节 一阶密度矩阵泛函理论 211

第四节 总结 215

第十四章 超大体系的处理方法 218

第一节 引言 218

第二节 大体系的量子化学计算方法 219

一、不断改进量子化学计算方法以适应大体系计算 219

二、计算机技术对实现大体系计算做出持续不断的贡献 220

三、GPU技术将会对计算化学带来的革命性影响 220

第三节 超大体系的处理方法简述 221

一、采用近似数值计算方法 221

二、改变计算策略 222

第四节 结论和展望 225

第二篇 化学中的统计力学 231

第一章 化学中的统计力学概述 231

第一节 历史简介 232

一、统计力学的建立——两位奠基人 232

二、量子统计的提出 233

三、非平衡统计力学的发展 233

四、相变研究 234

五、应用统计力学 234

六、学术期刊的演变 235

第二节 近20年重要进展及展望 236

第二章 统计力学基础与涨落定理 243

第一节 引言 243

第二节 量子统计力学 245

一、本征态热化假设 245

二、量子纠缠与典型性 246

第三节 涨落定理的相关研究进展 248

一、Bochkov-Kuzovlev涨落耗散关系（涨落定理的早期版本） 248

二、Evans-Searles涨落定理（涨落定理的现代表述） 248

三、Jarzynski等式 249

四、Crooks功涨落定理（连接两个平衡态的涨落定理） 250

五、涨落定理的实验验证 250

六、随机热力学 251

第四节 展望 252

第三章 凝聚相量子动力学 256

第一节 引言 256

第二节 理论方法的主要进展 256

一、系统-环境方法 257

二、有效近似方法 259

三、从不含时方法得到动力学信息 261

四、凝聚相光谱理论与计算 261

第三节 总结与展望 262

第四章 复杂分子体系电子激发态动力学理论方法 266

第一节 引言 266

第二节 理论方法的主要进展 267

一、MCTDH方法 267

二、混合量子-经典方法 268

三、基于Meyer-Miller-Stock-Thoss mapping模型的半经典方法 269

四、高斯波包方法 270

第三节 总结与展望 271

第五章 数值路径积分方法展望 274

第一节 引言 274

第二节 虚时间路径积分：路径积分分子动力学／蒙特卡罗平衡统计方法 276

第三节 基于路径积分的实时间动力学方法 277

第四节 总结和展望 280

第六章 增强抽样 283

第一节 引言 283

第二节 分子模拟研究存在的主要科学问题及增强抽样方法的发展 284

一、分子模拟的时间与空间尺度问题 284

二、分子模拟中的增强采样方法 285

三、对给定坐标空间的增强取样 285

四、无特定坐标的取样方法 287

五、轨迹空间的增强取样 289

六、数据分析及取样 290

第三节 展望 290

第四节 小结 291

第七章 粗粒化理论思想 295

第一节 引言 295

第二节 粗粒化方法发展历史、现状及挑战 296

一、实用性方面的问题 298

二、粗粒化方法学方面的问题 299

三、粗粒化方法的统计物理基础 300

第三节 展望 301

第八章 高分子统计理论与数值模拟 303

第一节 引言 303

第二节 高分子统计理论与数值模拟的现状与挑战 304

一、粗粒化分子动力学模拟方法的现状与挑战 304

二、高分子体系自洽场方法的现状及挑战 307

三、应用增强抽样方法的必要性 308

第三节 展望 308

第九章 生物分子统计模拟方法 311

第一节 引言 311

第二节 生物分子统计模拟方法的发展介绍 312

一、多元动力学方法 314

二、马尔科夫态模型 315

三、打桩算法 316

四、过渡路径抽样算法 316

五、过渡界面采样方法 317

六、前向流采样方法 317

第三节 展望 318

第三篇 微观反应机理和反应动态学 323

第一章 微观反应机理和反应动态学概述 323

第二章 气相小分子体系量子动力学——气相小分子体系量子动力学研究的突破性进展、面临的问题和展望 330

第一节 引言 330

第二节 发展历史和现状 332

一、势能面的构建 332

二、量子动力学 334

三、半经典动力学 339

四、经典力学在反应动力学中的应用 341

第三节 展望 343

第三章 光化学反应机理和动力学 346

第一节 引言 346

第二节 历史和现状 347

一、势能面锥形交叉结构和性质 347

二、非绝热动力学 351

三、羰基化合物光解离机理 356

四、金属配合物光催化水分解 356

第三节 展望：未来重要发展方向和重点研究的科学问题 358

第四章 热化学反应机理：气相和溶液中典型化学反应机理——突破性进展、目前和未来要解决的重大问题和一些思路 362

第一节 引言 362

第二节 研究现状和面临挑战及相关重要进展 364

一、计算精度和速度的挑战 365

二、溶剂效应的计算所面临的挑战 366

三、新的计算方法和模型的提出 367

四、新的反应模式的提出 369

五、对于复杂反应体系，如何能考虑到所有而不是有限的几条反应途径 370

六、分叉过渡态（bifurcation transition state）和非玻尔兹曼（Boltzmann）分布的反应考虑 371

七、隧道效应的考虑 373

八、体系中真正催化物种的认识的挑战 374

九、反应规律的总结与归纳 377

十、利用反应机理信息来设计和指导化学反应条件的优化和新反应的设计 377

第三节 展望 380

第五章 多相催化理论研究进展 384

第一节 引言 384

第二节 发展历史和现状 386

一、结构和活性的关联 386

二、理性催化设计的基本判据 390

三、固液界面催化的理论方法 392

第三节 展望 397

第六章 光催化反应及相关理论与计算研究 401

第一节 引言 401

第二节 拓展光催化材料的光谱响应范围 402

一、元素掺杂调控能带结构 402

二、固溶体调控能带结构 402

三、TiO2氢化调节能带结构 403

四、复合光催化材料结构设计 403

五、近红外及全太阳谱光催化 405

第三节 提高光生载流子分离效率 406

一、复合半导体体系 406

二、金属／半导体复合体系 407

三、石墨烯（类石墨烯）／半导体复合体系 407

四、自发极化材料 408

第四节 光催化理论研究中的计算问题 408

一、激发态问题 409

二、结构和尺度问题 410

第五节 总结与展望 412

第七章 煤转化过程的理论与计算——回顾与前瞻 415

第一节 引言 415

第二节 回顾过去、研究现状和存在的问题 416

第三节 未来展望 425

第八章 燃烧反应机理研究进展 430

第一节 引言 430

第二节 燃烧机理研究现状和存在的主要问题 431

一、燃烧反应的基元过程 431

二、燃烧复杂反应机理 437

三、燃烧反应分子模拟 441

第三节 展望 442

第九章 分子间弱相互作用与自组装理论 445

第一节 引言 445

第二节 分子间弱相互作用与自组装理论的发展及存在的问题 447

一、分子间弱相互作用计算方法 447

二、自组装理论 449

第三节 展望 454

第四篇 材料科学中的问题 461

第一章 材料科学中的问题概述——材料模拟对理论与计算化学的挑战 461

第一节 结构预测对理论与计算化学的挑战 462

第二节 面向材料功能预测的微观理论 464

第三节 材料的生长微观机理与动态演化 466

第二章 结构搜索方法 469

第一节 科学问题 469

第二节 稳态结构预测 471

第三节 过渡态结构预测 475

第四节 未解决的问题与展望 478

第三章 复合材料表界面与微孔材料的计算模拟 482

第一节 引言 482

第二节 关键科学问题、解决思路、面临的主要困难和挑战 483

一、表界面形貌及热力学性质的模拟 483

二、表（界）面分子及分子聚集体的电子结构 486

三、表（界）面分子组装 487

四、多孔材料的理论研究 490

第三节 展望 494

第四章 非晶态材料理论计算领域的机遇与挑战 497

第一节 引言 497

第二节 非晶态材料计算发展概述 499

一、非晶硅和锗 499

二、非晶磷族材料（磷、砷、锑、铋） 501

三、非晶硫族材料（硫、硒、碲） 502

四、硒、碲液晶相（l-Se，l-Te，l-SexTel－x） 504

五、金属玻璃 505

第三节 非晶态材料计算方法面临的困难和挑战 506

第四节 非晶态材料理论研究的解决方案 508

第五节 总结与展望 508

第五章 极端条件下的材料结构 512

第一节 概述——主要科学问题 512

第二节 发展历史和现状，解决问题的思路和面临的主要困难和挑战 514

一、成功的结构预测方法概述和解决问题的思路 514

二、高压极端条件下材料结构预测的成功范例 515

三、尚未解决的关键科学问题 517

第三节 展望未来重要发展方向和重点研究的科学问题 518

一、大尺度结构预测方法的发展 518

二、高压极端条件下的功能材料 519

三、行星内部材料的结构 521

第六章 生长机理的理论研究：现状与展望 524

第一节 引言 524

第二节 晶体生长理论简介 525

第三节 生长机理研究中的关键科学问题 527

一、复杂多通道反应路径的搜寻 527

二、生长动力学模型的建立 529

三、系统与环境的耦合 531

四、生长的理论设计 532

第四节 总结与展望 532

第七章 光学材料的理论计算 536

第一节 有机发光材料的理论与计算 536

一、引言 536

二、分子激发态电子结构方法的进展及存在的问题 538

三、分子激发态衰变过程的理论进展 539

四、有机发光材料的理论研究进展 540

第二节 非线性光学材料的计算 542

一、导数法 543

二、非线性格林函数方法 543

三、态求和方法 544

四、周期体系的非线性响应理论 544

第三节 总结与展望 545

第八章 电子传输材料的理论模拟 551

第一节 引言 551

第二节 无机半导体电荷传输 552

一、声子散射 552

二、缺陷散射 553

三、载流子-载流子散射 553

第三节 有机半导体电荷传输 554

一、有机分子材料 554

二、聚合物材料 558

第四节 低维碳材料 559

第五节 分子电子学 561

第六节 展望 562

第九章 磁性材料与自旋调控 565

第一节 科学问题 565

第二节 理论与方法发展 566

第三节 磁性材料设计与自旋调控 570

一、新概念磁性材料 570

二、自旋的电场控制 571

第四节 前景与展望 572

第十章 新型光伏材料与热电材料的理论模拟 575

第一节 新型光伏材料 575

一、有机太阳能电池相关研究 576

二、染料敏化太阳能电池相关研究 579

三、钙钛矿太阳能电池相关研究 582

第二节 热电材料 585

一、研究进展和理论方法介绍 586

二、存在的问题和展望 590

第五篇 生命科学与药物化学中的问题 597

第一章 生命科学与药物化学中的问题概述 597

第二章 生物大分子的量子化学计算与分子力场 605

第一节 引言 605

第二节 生物大分子的量子分块计算方法 606

第三节 生物分子力场与极化效应 609

第四节 量子力学和分子力学（QM／MM）组合计算方法 611

一、能量分析 611

二、区域和方法选择 613

三、边界衔接 613

四、平衡态和非平衡态诱导极化 615

第五节 展望 616

第三章 生物分子动力学模拟方法 619

第一节 引言 619

第二节 分子模拟方法 620

第三节 蛋白质-配体相互作用自由能计算 622

第四节 粗粒化多尺度模型 625

第五节 展望 629

第四章 生物分子中的电荷与能量转移 632

第一节 引言 632

第二节 电子转移过程 633

一、电子转移理论基础和发展现状 633

二、电子转移的分子动力学模拟 635

三、电子转移的QM／MM模拟 636

第三节 质子转移过程 638

一、质子转移理论基础 638

二、质子转移理论发展现状 638

第四节 质子耦合电子转移过程 640

一、质子耦合电子转移理论基础 641

二、质子耦合电子转移研究现状 643

第五节 生物分子中的电荷和能量转移发展前景展望 645

第五章 蛋白质结构与功能 649

第一节 引言 649

第二节 蛋白质结构预测 650

一、蛋白质结构预测的主要方法 650

二、CASP与蛋白质结构预测方法展望 652

第三节 金属蛋白质 652

一、金属蛋白的结构与其功能的关系 653

二、金属蛋白的理论与计算模拟 653

第四节 膜蛋白质 654

一、膜蛋白质结构预测 655

二、通道蛋白的分子模拟 655

三、受体和转运体蛋白的模拟 657

四、脂质与蛋白相互作用 658

第五节 蛋白质-蛋白质相互作用 658

一、复杂多样的蛋白质-蛋白质相互作用机制 658

二、蛋白质复合物结构的计算分析 659

三、蛋白质-蛋白质复合物结构的预测与对接计算 660

第六节 前景与展望 662

第六章 蛋白质设计 666

第一节 引言 666

第二节 蛋白质设计 666

一、蛋白质设计所涉及的主要计算方法 667

二、全新蛋白质设计（de novo protein design） 668

三、蛋白质功能设计 668

第三节 蛋白质结构、功能与设计发展前景展望 671

第七章 核酸与生物膜 675

第一节 引言 675

第二节 核酸和蛋白质-核酸相互作用 676

一、RNA三级结构预测 676

二、RNA动力学 677

三、蛋白质-DNA分子对接 677

四、蛋白质-RNA复合体结构预测 678

第三节 生物膜 679

一、脂质力场 679

二、生物膜模拟 680

第四节 战略展望 681

一、核酸与蛋白质-核酸相互作用 681

二、生物膜 681

第八章 生物大分子信号传导和网络 685

第一节 引言 685

第二节 生物分子自组装 686

一、生物分子自组装的发展现状 686

二、分子组装的功能设计 686

三、分子组装的调控多样性 687

第三节 拥挤现象 687

一、拥挤现象的理论模型 687

二、拥挤现象与生物表型的相关性 688

第四节 生物分子相互作用及信号传导 688

一、DNA与蛋白质之间的相互作用 688

二、RNA与蛋白质之间的相互作用 689

三、核酸与核酸之间的相互作用 690

四、蛋白质与蛋白质相互作用研究 690

第五节 生物分子网络 692

一、基于生物分子网络的疾病基因和生物标记物识别 692

二、基于生物分子网络的生物系统动力学研究 693

第六节 网络药理学 694

一、基于分子网络的多靶点药物和药物组合预测 694

二、基于分子网络的药物重新定位 696

第七节 展望 697

第九章 药物设计与开发 701

第一节 引言 701

第二节 分子对接 701

第三节 打分函数 703

第四节 药效团、结构活性关系 704

第五节 药物治疗的微观作用机理 705

第六节 药物设计中的化学信息学 707

第七节 药代动力学性质和毒性预测 709

第八节 药物设计新思路 710

附录 关于建立“计算化学软件平台专项”的建议 714

关键词索引 726