适读人群：本书可供高层次管理专家做战略决策时参考，也可供研究生和有关科研人员阅读，有助于深化对学科发展趋势、发展前景的认识以及了解关键科学问题和前沿领域的重点方向。
学科发展战略研究工作沿袭了由中科院院士牵头的方式，并凝聚相关领域专家学者共同开展研究。他们秉承“知行合一”的理念，将深刻的洞察力和严谨的工作作风结合起来，潜心研究，求真唯实，“知之真切笃实处即是行，行之明觉精察处即是知”。他们精益求精，“止于至善”，“皆当至于至善之地而不迁”，力求尽善尽美，以获取集体智慧。他们在中国基础研究从与发达国家“总量并行”到“贡献并行”再到“源头并行”的升级发展过程中，脚踏实地，拾级而上，纵观全局，极目迥望。他们站在巨人肩上，立于科学前沿，为中国乃至世界的学科发展指出可能的生长点和新方向。

内容简介

本书回顾了理论与计算化学发展的历程，揭示了学科交叉的重要性以及化学理论的发展对整个化学进步的巨大推动作用；分析了国内外现状和发展趋势，展望了前景和面临的难题。提出了发展思路和战略性措施，建议促进学科发展的资助机制与政策。对学科涵盖的电子结构理论与计算方法、化学中的统计力学、微观反应机理和反应动态学、材料科学中的问题、生命科学与药物化学中的问题五个专题中的关键科学问题和重要前沿研究方向进行了深入探索和讨论。

　本书可供高层次管理专家做战略决策时参考，也可供研究生和有关科研人员阅读，有助于深化对学科发展趋势、发展前景的认识以及了解关键科学问题和前沿领域的重点方向。

作者简介

本书由国家自然科学基金委员会与中国科学院联合发布。项目主持人为北京大学黎乐民院士。黎乐民院士现任北京大学化学与分子工程学院教授、博士生导师、院学术委员会主任、理学部和校学术委员会委员；兼任《稀土材料化学及应用》国家重点实验室学术委员会主任、《理论与计算化学》国家重点实验室学术委员会主任、《中国科学》（B辑：化学）执行副主编、《高等学校化学学报》副主编、《中国化学快报》副主编等学术职务。

总序
前言
摘要
Abstract
总论理论与计算化学发展战略纵览
第一节理论与计算化学在基础科学中的地位
第二节学科内涵、发展历程与规律
第三节学科发展现状与发展态势
第四节发展战略思路
第五节发展方向：关键科学问题和学科重要研究前沿
第六节资助机制与政策建议
第七节小结
第一篇电子结构理论与计算方法
第一章电子结构理论与计算方法概述
第二章波函数电子相关方法的进展及展望
第一节引言
第二节多组态自洽场方法和组态相互作用方法
第三节耦合簇方法
第四节显式相关方法
第五节未来的发展方向
第三章量子化学中的密度矩阵重整化群方法
第一节引言
第二节 DMRG传统的形式和语言
第三节矩阵乘积态
第四节算法中的微扰修正和noise的加入
第五节对称性的问题
第六节激发态的问题
第七节 DMRG在量子化学中的新发展
第八节总结和展望
第四章价键理论方法
第一节引言
第二节从头算价键理论方法进展
第三节价键理论方法关键问题
第五章微扰理论的发展现状及展望
第一节引言
第二节单参考态微扰理论
第三节多参考态微扰理论
第四节显含r12的微扰理论
第五节 Monte Carlo方法在微扰理论中的应用
第六节总结
第七节展望
第六章密度泛函理论基础进展及其与多体理论的关系
第一节引言
第二节发展现状综述和评价
第七章近似密度泛函的发展
第一节主要科学问题
第二节现有近似泛函的大致分类
第三节近似泛函的系统评测
第四节近似泛函的重要误差来源
第五节亟待解决的重大问题
第六节可能解决问题的途径
第七节 20篇标志性论文
第八章TDDFT的发展与在激发态计算和开放体系中的应用
第一节引言
第二节历史与现状
第三节展望与建议
第九章多体格林函数方法
第一节引言
第二节理论框架
第三节发展历程
第四节发展趋势
第十章强关联材料的第一性原理电子结构理论
第一节引言
第二节基于对LDA/GGA修正的第一性原理方法
第三节基于格林函数的第一性原理多体理论方法
第四节结合模型哈密顿量的第一性原理方法
第五节总结与展望
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
第一节引言
第二节相对论哈密顿
第三节相对论电子相关
第四节相对论电子性质
第五节结论与展望
第十二章量子蒙特卡罗方法
第一节引言
第二节变分蒙特卡罗方法
第三节实几何空间格林函数蒙特卡罗方法
第四节反对称组态空间蒙特卡罗方法
第五节蒙特卡罗方法中的激发态计算问题
第六节含时量子蒙特卡罗方法
第七节减少QMC计算误差的算法
第八节总结与展望
第十三章约化密度矩阵理论
第一节引言
第二节二阶约化密度矩阵理论
第三节一阶密度矩阵泛函理论
第四节总结
第十四章超大体系的处理方法
第一节引言
第二节大体系的量子化学计算方法
第三节超大体系的处理方法简述
第四节结论和展望

第二篇化学中的统计力学
第一章化学中的统计力学概述
第一节历史简介
第二节近20年重要进展及展望
第二章统计力学基础与涨落定理
第一节引言
第二节量子统计力学
第三节涨落定理的相关研究进展
第四节展望
第三章凝聚相量子动力学
第一节引言
第二节理论方法的主要进展
第三节总结与展望
第四章复杂分子体系电子激发态动力学理论方法
第一节引言
第二节理论方法的主要进展
第三节总结与展望
第五章数值路径积分方法展望
第一节引言
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
第三节基于路径积分的实时间动力学方法
第四节总结和展望
第六章增强抽样
第一节引言
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
第三节展望
第四节小结
第七章粗粒化理论思想
第一节引言
第二节粗粒化方法发展历史、现状及挑战
第三节展望
第八章高分子统计理论与数值模拟
第一节引言
第二节高分子统计理论与数值模拟的现状与挑战
第三节展望
第九章生物分子统计模拟方法
第一节引言
第二节生物分子统计模拟方法的发展介绍
第三节展望

第三篇微观反应机理和反应动态学
第一章微观反应机理和反应动态学概述
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
第一节引言
第二节发展历史和现状
第三节展望
第三章光化学反应机理和动力学
第一节引言
第二节历史和现状
第三节展望：未来重要发展方向和重点研究的科学问题
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
第一节引言
第二节研究现状和面临挑战及相关重要进展
第三节展望
第五章多相催化理论研究进展
第一节引言
第二节发展历史和现状
第三节展望
第六章光催化反应及相关理论与计算研究
第一节引言
第二节拓展光催化材料的光谱响应范围
第三节提高光生载流子分离效率
第四节光催化理论研究中的计算问题
第五节总结与展望
第七章煤转化过程的理论与计算
　　　 ——回顾与前瞻
第一节引言
第二节回顾过去、研究现状和存在的问题
第三节未来展望
第八章燃烧反应机理研究进展
第一节引言
第二节燃烧机理研究现状和存在的主要问题
第三节展望
第九章分子间弱相互作用与自组装理论
第一节引言
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
第三节展望

第四篇材料科学中的问题
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
第一节结构预测对理论与计算化学的挑战
第二节面向材料功能预测的微观理论
第三节材料的生长微观机理与动态演化
第二章结构搜索方法
第一节科学问题
第二节稳态结构预测
第三节过渡态结构预测
第四节未解决的问题与展望
第三章复合材料表界面与微孔材料的计算模拟
第一节引言
第二节关键科学问题、解决思路、面临的主要困难和挑战
第三节展望
第四章非晶态材料理论计算领域的机遇与挑战
第一节引言
第二节非晶态材料计算发展概述
第三节非晶态材料计算方法面临的困难和挑战
第四节非晶态材料理论研究的解决方案
第五节总结与展望
第五章极端条件下的材料结构
第一节概述——主要科学问题
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
第三节展望未来重要发展方向和重点研究的科学问题
第六章生长机理的理论研究：现状与展望
第一节引言
第二节晶体生长理论简介
第三节生长机理研究中的关键科学问题
第四节总结与展望
第七章光学材料的理论计算
第一节有机发光材料的理论与计算
第二节非线性光学材料的计算
第三节总结与展望
第八章电子传输材料的理论模拟
第一节引言
第二节无机半导体电荷传输
第三节有机半导体电荷传输
第四节低维碳材料
第五节分子电子学
第六节展望
第九章磁性材料与自旋调控
第一节科学问题
第二节理论与方法发展
第三节磁性材料设计与自旋调控
第四节前景与展望
第十章新型光伏材料与热电材料的理论模拟
第一节新型光伏材料
第二节热电材料

第五篇生命科学与药物化学中的问题
第一章生命科学与药物化学中的问题概述
第二章生物大分子的量子化学计算与分子力场
第一节引言
第二节生物大分子的量子分块计算方法
第三节生物分子力场与极化效应
第四节量子力学和分子力学（QM/MM）组合计算方法
第五节展望
第三章生物分子动力学模拟方法
第一节引言
第二节分子模拟方法
第三节蛋白质配体相互作用自由能计算
第四节粗粒化多尺度模型
第五节展望
第四章生物分子中的电荷与能量转移
第一节引言
第二节电子转移过程
第三节质子转移过程
第四节质子耦合电子转移过程
第五节生物分子中的电荷和能量转移发展前景展望
第五章蛋白质结构与功能
第一节引言
第二节蛋白质结构预测
第三节金属蛋白质
第四节膜蛋白质
第五节蛋白质/蛋白质相互作用
第六节前景与展望
第六章蛋白质设计
第一节引言
第二节蛋白质设计
第三节蛋白质结构、功能与设计发展前景展望
第七章核酸与生物膜
第一节引言
第二节核酸和蛋白质核酸相互作用
第三节生物膜
第四节战略展望
第八章生物大分子信号传导和网络
第一节引言
第二节生物分子自组装
第三节拥挤现象
第四节生物分子相互作用及信号传导
第五节生物分子网络
第六节网络药理学
第七节展望第九章药物设计与开发
第一节引言
第二节分子对接
第三节打分函数
第四节药效团、结构活性关系
第五节药物治疗的微观作用机理
第六节药物设计中的化学信息学
第七节药代动力学性质和毒性预测
第八节药物设计新思路
附录关于建立“计算化学软件平台专项”的建议
关键词索引

精彩书摘

摘要

一、回顾理论与计算化学发展的历程，揭示学科交叉的重要性
　　早期化学研究主要依靠实验摸索和总结经验，被看成是纯实验科学。通过不断吸纳物理学和数学的理论成果，利用计算科学发展产出的强大计算能力，构建自身的理论体系，用于化学过程以及相关领域的研究中，逐步形成理论与计算化学。学科发展历程大致可分为四个阶段。第一阶段，以实验探索和总结实验事实为主，通过建立简单理论模型说明实验现象。第二阶段，吸纳物理学中热力学和统计力学的成果，建立化学热力学和化学统计力学。第三阶段，吸纳量子力学的成果，利用其概念和基本原理处理化学问题成果丰硕，极大推动了化学的发展。运用统计力学理论成果也有重要进展。第四阶段，吸纳计算机和计算数学成果，逐步向掌握化学变化定量规律的目标迈进；分子模拟逐渐成为研究复杂体系热力学和动力学性质的重要工具；化学信息学也有很大进展，成为发现有指定用途化学新物质的有效途径。
学科发展历程表明，理论与计算化学发展的推动力首先源于化学整体向前发展的要求，理论与实验研究伴生并行，相互促进。其次也源于理论与计算学科自身发展的需要，即发展高效率和有足够精度的理论和计算方法。学科交叉重叠起关键作用：化学家不断吸纳物理学理论成果以及应用数学与计算科学成果是学科形成的实质性过程，而将理论与计算化学方法用于化学其他分支以及材料科学、生命科学、药物学等领域的研究推动学科持续向前发展。

二、概述学科现状、分析发展趋势
化学进入发展的新阶段，逐步发展为依靠实验、计算、理论三方面协同工作推动的科学。理论和计算模拟方法在化学研究和相关领域中的应用日趋广泛。理论计算与实验工作紧密配合互动有效提高了研究效率。计算科学飞速进步使对真实复杂体系结构和运动过程的数学模拟成为可能。近年来理论与计算化学的进步主要表现在两个方面：研究对象从简化模型向真实复杂体系和过程逐步逼近；研究目标从对问题的定性分析走向追求定量结论。当前理论与计算化学的发展趋势与显现的特征是：理论分析与计算模型力求逼近复杂的真实化学体系和过程；研究重心从静态结构逐步转向动态过程，从简单基元过程扩展到多种过程耦合；阐明与生命现象相关的化学过程的计算模拟成为热点；强化对材料结构与功能关系的理论研究；对计算精度的要求进一步提高，建立新理论模型、发展高效率高精度的计算方法，成为学科本身的研究重点；重视发展能计算巨大体系和模拟复杂体系变化过程的方法；理论与计算方法在化学及相关研究中被广泛应用，与实验研究紧密配合互动逐步成为研究工作的常态；理论与计算研究正在逐步进入产业部门。

三、展望学科前景，指出面临的难题
　　学科发展新阶段——跃上新台阶的标志：在质的方面表现为科学水平的提高。理论与计算方法将具备处理更复杂实际体系和过程的能力，对计算结果的误差有可靠估计，对实验结果的解释更可靠，指导实验探索的作用更强。在量的方面表现为发挥作用范围扩大，研究人员采用实验与理论计算紧密配合互动的工作方式将成为常态。
　　目前存在的主要问题：研究结论没有足够的可靠性，计算结果通常不能作为独立的科学论据，只能作为佐证或者旁证。对于复杂体系的研究，结果与实验不一致时，无法判断是物理模型有缺陷还是数学计算的误差。计算方面的基本困难：量子化学计算的基本矛盾是计算量和精度难于兼顾，研究化学过程对计算精度要求很高，高精度理论研究的计算量非常大；简化计算模型和/或作计算近似，得出的结论可靠性没有保证。运用统计力学理论面临两大困难：可靠的分子力场很难获得，超大尺度的空间和时间模拟计算量极大，现有计算机难以胜任。发展高效率、高精度、低计算量、误差可控（或可估计）的理论与计算方法是理论和计算化学的核心攻坚任务。

四、概述学科关键科学问题和学科重要研究前沿
　　在理论与计算化学基础性研究方面，提出学科整体向前发展亟需解决的七个关键科学问题。在实际体系的理论计算研究方面，强调重视有关学科发展前沿，与实验研究紧密配合互动开展工作；同时重视以物理学基本原理为依据，为实验研究预测发展新方向和新领域。
对学科涵盖的电子结构理论与计算方法、化学中的统计力学、微观反应机理和反应动态学、材料科学中的问题、生命科学和药物化学中的问题五个专题中各个主题的关键科学问题和重要前沿研究方向，在全书各章分别进行阐述和深入讨论。

五、提出发展思路，建议采取相应战略性措施
　　强化理论与计算化学与数学、物理、材料、生命、计算科学、信息科学等领域的交叉合作；强化理论和实验研究的紧密结合，特别是两者的直接配合互动；加强队伍建设，要从国外引进高端人才，更要立足国内培养；推广理论与计算方法在化学及相关研究中的有效运用，在普及的基础上提高。

六、提出促进学科发展的资助机制与政策的八项具体建议
　　鉴于目前没有一个公共计算化学软件平台严重影响我国理论与计算化学发展速度，项目组提出《关于建立“计算化学软件平台专项”的建议》

前言/序言

前言

　　早期化学研究主要依靠实验探索，被看成是纯实验科学。20世纪前后到60年代，化学家运用物理理论处理化学问题，极大地推动了化学的发展。70年代以后，借助计算机能力的快速提高,理论与计算化学如虎添翼，迅速发展。2013年，诺贝尔化学奖颁奖通告中说“如今对化学家来说，电脑同试管一样重要”。从1954年到2014年,诺贝尔化学奖14次授予理论与计算化学，凸显出理论与计算化学研究在推动化学发展中的重要作用。当前化学正从纯实验科学转向依靠“实验、计算、理论”协同推动前进的科学,进入发展的新阶段。理论与计算化学处于蓬勃发展时期，制订正确发展战略、建立合理资助机制和采取必要政策措施促进其发展，不但对加速我国这一学科本身的发展有重要作用，对推动化学整体以及材料科学、生命科学等相关学科的发展也有重要意义。

　　国家自然科学基金委员会中国科学院学科发展战略研究工作联合领导小组设立“理论与计算化学发展战略研究”项目，委托我主持。项目组由13人组成，根据理论与计算化学的内涵和发展现状，设五个专题，每个专题包含若干主题，邀请国内相关领域优秀中青年专家参加学科发展战略研究工作。

　　各专题在有关主题负责人认真调研文献的基础上举行了专题学术研讨会。除专题和主题负责人外,还邀请了项目组外的若干专家参加。电子结构理论与计算方法专题邀请向涛、马玉臣、任新国、中国学科发展战略·理论与计算化学下载 mobi epub pdf txt 电子书格式