量子層面的化學(xué)

金井優(yōu)介（Yosuke Kanai）是美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校的化學(xué)教授，從事理論和計(jì)算化學(xué)方面的研究，專注于開(kāi)發(fā)量子力學(xué)計(jì)算方法并使用它們研究復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為。他在模擬量子力學(xué)過(guò)程方面的工作涵蓋了從太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換到質(zhì)子束治療癌癥的廣泛主題。他研究的首要主題是發(fā)展對(duì)電子和原子相互作用產(chǎn)生的電子激發(fā)和動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象——尤其是在凝聚相和其他擴(kuò)展系統(tǒng)中——的預(yù)測(cè)性理解。他特別希望通過(guò)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用基于第一性原理電子結(jié)構(gòu)理論的計(jì)算方法來(lái)獲得分子層面上的理解。金井優(yōu)介在普林斯頓大學(xué)獲得了理論化學(xué)博士學(xué)位。2022年4月，他接受了《美國(guó)科學(xué)家》（American Scientist）主編費(fèi)內(nèi)拉 · 桑德斯（Fenella Saunders）的專訪。

量子化學(xué)如何與量子力學(xué)和理論化學(xué)聯(lián)系起來(lái)？

20世紀(jì)初，理論化學(xué)概念出現(xiàn)。理論化學(xué)的基本思路是，我們可以通過(guò)數(shù)學(xué)和物理學(xué)方法了解分子在不同條件下的行為，而無(wú)需開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。理論化學(xué)包含幾個(gè)不同的子領(lǐng)域，其中就有量子化學(xué)。量子化學(xué)可以歸結(jié)為“利用量子力學(xué)的基礎(chǔ)物理學(xué)來(lái)理解分子在不同情況下的行為”。如果深入到原子或分子的尺度，你就要與電子和原子核打交道了。電子的行為不像經(jīng)典粒子那般，而是遵循量子力學(xué)。此外，原子核的某些部分，例如質(zhì)子，也小到了需用量子力學(xué)來(lái)處理。量子力學(xué)在20世紀(jì)20年代發(fā)展得相當(dāng)成熟，彼時(shí)許多科學(xué)家意識(shí)到，他們其實(shí)能利用量子力學(xué)定律來(lái)了解電子和原子核的行為方式。雖然理論學(xué)說(shuō)早已形成，但電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)才使科學(xué)家可能利用量子力學(xué)研究分子。應(yīng)用之路始于20世紀(jì)50年代，而隨著過(guò)去70年間計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步，我們已看到量子化學(xué)領(lǐng)域越發(fā)有趣的發(fā)展和進(jìn)步。

量子化學(xué)更關(guān)注粒子之間的相互作用，而量子物理則聚焦于基本粒子的行為，是這樣嗎？

量子力學(xué)是一個(gè)非常廣闊的領(lǐng)域。一方面，很多高能物理學(xué)家應(yīng)用量子力學(xué)來(lái)認(rèn)知亞原子粒子——我們用以理解宇宙整體結(jié)構(gòu)的基本要素。另一方面，當(dāng)你進(jìn)入電子和分子的超微小的尺度，就需要使用量子力學(xué)來(lái)理解電子和原子核如何運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)進(jìn)步如何影響這個(gè)領(lǐng)域？

這始于20世紀(jì)50年代早期電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。20世紀(jì)90年代，人們開(kāi)始更多地使用個(gè)人電腦。一方面，這毫無(wú)疑問(wèn)激發(fā)了大家去探索量子化學(xué)等領(lǐng)域，因?yàn)樗麄兡茉谧约旱挠?jì)算機(jī)上進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算。再往后，超級(jí)計(jì)算機(jī)點(diǎn)燃了更多人的激情，計(jì)算技術(shù)的不斷進(jìn)步正推動(dòng)量子化學(xué)的前沿發(fā)展。另一方面，實(shí)驗(yàn)化學(xué)并未停下進(jìn)步。在過(guò)去50年左右的時(shí)間里，從事實(shí)驗(yàn)工作的研究者開(kāi)始使用粒子加速器和光束線之類的東西來(lái)進(jìn)行光譜實(shí)驗(yàn)。如果你在實(shí)驗(yàn)方面取得很大進(jìn)展，就會(huì)有更多令人興奮的成果隨之而來(lái)——這能激勵(lì)像我這樣的人去了解實(shí)驗(yàn)化學(xué)中發(fā)生的事情。在某種意義上，實(shí)驗(yàn)派和理論派攜手并進(jìn)。

是否有可能在粒子尺度上生成精確模型？

非常困難，因?yàn)檫@要求的尺度太小了。我們知道如何妙用經(jīng)典物理學(xué)。你只要愿意模擬我扔出一個(gè)球時(shí)的力學(xué)情景，就肯定能算出那個(gè)球落至何處。但當(dāng)你進(jìn)入一個(gè)很微小的尺度，控制行為的就不再是牛頓力學(xué)，而是量子力學(xué)。因此，要理解和預(yù)測(cè)如此微小的分子尺度上的事是極為復(fù)雜的。我們無(wú)法獲得確切的解決方案。不過(guò)由于計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，我們能非常精準(zhǔn)地確定某些特性，例如預(yù)測(cè)反應(yīng)能量。其他一些特性，如光激發(fā)能，更難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。對(duì)于有機(jī)分子，我們能夠高質(zhì)量地模擬出它們的光學(xué)激發(fā)特性，如躍遷能量。但是對(duì)于其他某些類型，例如含有重元素的過(guò)渡金屬分子，我們就很難可靠模擬其光學(xué)特性。部分原因在于相對(duì)論效應(yīng)。因此可以這么說(shuō)，某些分子、某些特性好模擬，也能模擬好，而另一些分子和特性則不然。

您為什么致力于表征高能質(zhì)子束？

這種物理現(xiàn)象在癌癥治療中很重要，對(duì)于太空任務(wù)也相當(dāng)關(guān)鍵。如果你離開(kāi)地球大氣層，來(lái)到銀河系，便可與這些由高能離子組成的宇宙射線邂逅。如果你是一名宇航員且不受保護(hù)，它們就將擊中甚至傷害你。太空任務(wù)的一大問(wèn)題是必須保護(hù)電子設(shè)備免受宇宙射線影響，因?yàn)楦吣茈x子能穿過(guò)電子設(shè)備并引起電子激發(fā)，使設(shè)備發(fā)生故障。鑒于此，了解高能離子行為非常重要。

模擬能如何深入了解這些高能光束的行為？

要人工產(chǎn)生這些高能質(zhì)子，我們得用上回旋加速器，它能通過(guò)磁場(chǎng)將質(zhì)子加速成帶電粒子。有了高能質(zhì)子，你可以開(kāi)展一些極有意義的實(shí)驗(yàn)，例如測(cè)量電子阻止本領(lǐng)，它本質(zhì)上就是能量從這些高能質(zhì)子轉(zhuǎn)移到目標(biāo)物質(zhì)（如DNA）中的電子的速率。但實(shí)驗(yàn)者難以弄清楚的是這種能量是由何處轉(zhuǎn)移至DNA的。只要看過(guò)DNA的結(jié)構(gòu)，就能意識(shí)到它是非常復(fù)雜的大分子。我們所做的量子力學(xué)模擬可以顯示能量去向。例如，我們最近的工作表明，大量能量會(huì)轉(zhuǎn)移到DNA的側(cè)鏈，而非DNA堿基對(duì)。對(duì)于癌癥質(zhì)子治療，這個(gè)信息很重要。因?yàn)槟闳绻苷T導(dǎo)癌細(xì)胞的DNA側(cè)鏈損傷，就很可能最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡，即在癌細(xì)胞中誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，因?yàn)镈NA側(cè)鏈損傷難以被蛋白質(zhì)修復(fù)。這個(gè)例子是量子力學(xué)模擬可提供的洞見(jiàn)，它可能很難從實(shí)驗(yàn)中獲得，因?yàn)槠渲械哪芰哭D(zhuǎn)移發(fā)生于飛秒的尺度上。我們可以在模擬中獲得阿秒級(jí)的分辨率，以了解能量是如何傳輸?shù)摹?/p>

為什么DNA側(cè)鏈?zhǔn)沁@種能量轉(zhuǎn)移的目標(biāo)？

DNA的所有側(cè)鏈（尤其當(dāng)它處于生理?xiàng)l件下，例如在水中時(shí)）都缺少質(zhì)子。這意味著側(cè)鏈暴露出電子，或許就是造成這種高度能量轉(zhuǎn)移的原因。我們還研究了真空環(huán)境下的DNA本身——它們是質(zhì)子化的，其側(cè)鏈并不暴露電子。只有處于水中時(shí)，暴露電子的情況才會(huì)出現(xiàn)。我們意識(shí)到這對(duì)于從高能質(zhì)子處吸收能量很關(guān)鍵。然而，從實(shí)驗(yàn)角度看，研究生理?xiàng)l件下DNA對(duì)質(zhì)子束的響應(yīng)非常困難。即使模擬水中的DNA，你也需要處理超過(guò)10 000個(gè)電子。

您認(rèn)為這些模擬是否有助于找到一種更有效的靶向癌癥DNA的方法？

你如果真想改進(jìn)離子束療法，就需要了解它的工作原理。我們正做著基礎(chǔ)科學(xué)研究，旨在從分子層面提供對(duì)其實(shí)際工作原理的理解。關(guān)于離子束，許多人探討換掉質(zhì)子的可能性，例如使用碳離子之類的。其中的基本原理是，碳離子帶更多電荷，你如果用它，就能將更多能量?jī)?chǔ)存到癌細(xì)胞的DNA中。這挺合理的。質(zhì)子只帶一個(gè)正電荷，而碳原子失去所有電子后就帶六個(gè)正電荷。那么這種替換除了讓電荷數(shù)乘六，還會(huì)帶來(lái)什么改變嗎？我們的模擬計(jì)算可就此問(wèn)題提供見(jiàn)解。現(xiàn)在我們針對(duì)質(zhì)子以外的離子進(jìn)行了原始模擬，以預(yù)測(cè)當(dāng)使用α粒子和碳離子等時(shí)，能量轉(zhuǎn)移行為如何變化。

如果就簡(jiǎn)單想想，既然換了碳原子，有了更多電荷，那自然可以有更大能量轉(zhuǎn)移。但這樣的推導(dǎo)太簡(jiǎn)單，太理想化了。你如果像我們這樣做模擬計(jì)算，就可了解這些粒子的電離程度。碳離子從來(lái)不是簡(jiǎn)單的碳原子帶六個(gè)正電荷，質(zhì)子也不完全等于一個(gè)正電荷。這些量子力學(xué)模擬可以深入了解離子的電荷狀態(tài)。

為什么我們要鉆研基礎(chǔ)科學(xué)？其重要性是什么？

我們研究與日常生活相關(guān)的部分，例如癌癥治療，更容易被大眾理解和欣賞。但模擬計(jì)算工作，以及模擬前的大量基礎(chǔ)工作，是枯燥繁重、無(wú)人理解的。我們花費(fèi)很多時(shí)間開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)模擬方法，然后投入計(jì)算，最終才得到對(duì)于癌癥治療有意義的重要見(jiàn)解。開(kāi)發(fā)模擬方法涉及大量的數(shù)學(xué)和編程工作。我們擁有一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，但這并不夠，還必須開(kāi)發(fā)計(jì)算方法。我們得先不遺余力地編程、求解方程、做數(shù)學(xué)推導(dǎo)，這些全齊活了，再執(zhí)行模擬。大眾不關(guān)注這些內(nèi)容，但是它們非常重要。

這些計(jì)算推導(dǎo)是如何創(chuàng)建的？

為了開(kāi)展模擬，我們必須創(chuàng)建一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，這項(xiàng)工作很有難度。一方面，你得熟知量子力學(xué)的原理；另一方面，你要把量子力學(xué)方程編作程序。超級(jí)計(jì)算機(jī)有許多并行工作的處理器，像我們這樣的計(jì)算科學(xué)家必須對(duì)這些方程進(jìn)行編程，以便我們編寫的計(jì)算機(jī)程序可同時(shí)利用全部處理器。如果你想做這類工作，你不僅要懂?dāng)?shù)學(xué)、物理和化學(xué)，還必須學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)和編程方面的知識(shí)。我從事的是量子化學(xué)研究，但如果你仔細(xì)觀察研究中發(fā)生的事情，你會(huì)看到數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)。這是個(gè)相當(dāng)跨學(xué)科的領(lǐng)域。

資料來(lái)源 American Scientist