什么是软物质理论计算与模拟？

不一样的科研

——记华南软物质科学与技术高等研究院教授张睿

一大开间实验室里，摆放着10多台电脑，一群学生敲敲打打忙碌着，这种场景很容易联想到计算机教学或企业程序员，其实他们正在开展不一样的科学实验。本期人物纪实的主人公是华南软物质科学与技术高等研究院教授张睿，研究院第一位从事理论计算与模拟的科研老师。

张睿给研究生上课

什么是软物质理论计算与模拟？

在张睿课题组不穿实验服、不碰试剂、不操作仪器，但“我们致力于发展和运用准确的理论模型和高效的算法，在电脑上通过计算模拟研究和实验室里相同的分子与材料”。张睿进一步解释，他现在所做的软物质理论计算与模拟，通俗的说即是用数学计算的工具和化学物理理论来研究软物质的结构和运动规律，通过计算机预测结果为实体实验提供新方向、新思路，进一步指导优化实验设计。

虽然实验方式不一样，但科研难度却不尽相同。张睿指出，从建立模型关键步骤开始，在起点阶段就需要寻找精度和效率的平衡；建模完成后运用何种数值计算或模拟方法，也是一个不断探索和改进的过程；最终计算结果的呈现可能需要超算资源的配合，这也是目前我们大力发展的部分。

存在的意义：绿叶衬红花

目前，研究院现有教授、副教授23人，涵盖化学合成、结构分析、加工制备等多维度、全体系人才结构。张睿在此间扮演何种角色？“绿叶衬红花”他给出了这样的比喻。“其实在不同研究领域，每个团队都会有一个我这样的人存在”张睿表示，理论计算与模拟服务于团队的大致意义包括为实验现象提供基础理论解释，预测实验方向和可能性结论，最终理想是参与材料的理性设计。

近几年，美国、欧盟相继启动“材料基因组计划”，并正利用各种先进技术和交叉学科理论基础，深入研究以满足新兴制造业对高性能新材料的需求。而中国自己的“材料基因组计划”正快速形成，软物质研究的多交叉性正契合国家发展大势，所以张睿从美国伊利诺伊大学香槟分校结束博士后工作，选择回国加入到软物质研究院团队。入院后的重心放在巨型分子和超分子系统的多尺度结构与动力学演变、高分子复合材料中的输运过程、软物质中的玻璃化转变现象等几大研究方向上。

从零开始教学为学生补基础

由于科研形式的特殊，张睿坦言在首次招生阶段也有过担心。报读他课题组的学生不仅要具备化学、物理基础知识，还需要有一定的计算机基础或者对计算机编程的兴趣。“很庆幸，对计算模拟感兴趣的同学比我想象的要多不少，目前为止招生一直很顺利”，张睿这样说到。现课题组已有十多位硕士生和博士生。与其他课题组入学即可做实验不同，张睿需要用半年至一年的时间结合经典力学、统计力学，向学生讲授计算机编程和分子模拟课程。随后，才会为每位学生拟定开题方向。

张睿为博士生韩毅解答疑惑

“我本身对理论计算有兴趣，通过自己构建模型去解释实验现象，进一步形成理论框架是非常‘酷炫’的事情”。博士生韩毅同时表示，由于组里同学大多化学背景，像统计力学的物理基础差，张老师会亲自教授相关课程并组织考试，让我们收获很大。

硕士生詹涛表示，“我是复试结束双向选择时才初次了解到理论计算方向。在与张老师沟通后，我发现这个更有挑战性的方向更契合我的兴趣，所以最终选择进张睿老师课题组”。在詹涛眼里，张老师是一位治学严谨又极具亲和力的老师，会时刻为学生考虑，做很多尝试，使我们快速适应角色和专业的变化。

张睿课题组合影（本文图片均由通讯员提供）