楊金龍：AI驅(qū)動化學(xué)研究變革

2024.1.31

　　“物質(zhì)世界豐富而復(fù)雜，要研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的內(nèi)在規(guī)律，僅靠化學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室解析表達(dá)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。對重要化學(xué)問題開展研究還需要發(fā)展新理論和新方法。”隨著人工智能技術(shù)的加持，精準(zhǔn)智能化學(xué)曙光已現(xiàn)

　　在化學(xué)合成中，AI驅(qū)動的機(jī)器人平臺已經(jīng)能夠在數(shù)天內(nèi)完成原本數(shù)十年的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，極大地提升了化學(xué)研究的速度和精度

　　單分子器件通過分子對外加刺激的響應(yīng)來工作，通過施加電壓或光照，可以改變分子內(nèi)部的電荷分布或觸發(fā)其特定振動模式，從而調(diào)控其導(dǎo)電性、光學(xué)特性等，實(shí)現(xiàn)所需功能。

　　當(dāng)前，化學(xué)科研范式正在發(fā)生一場深刻變革。

　　化學(xué)是研究物質(zhì)變化的一門科學(xué)，主要目的是創(chuàng)造物質(zhì)和控制物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。傳統(tǒng)化學(xué)研究中，科研人員要在實(shí)驗(yàn)室用各種試劑通過不斷試錯研發(fā)出新材料。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，加速了化學(xué)研究蓬勃發(fā)展。

　　“物質(zhì)世界豐富而復(fù)雜，要研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的內(nèi)在規(guī)律，僅靠化學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室解析表達(dá)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。對重要化學(xué)問題開展研究還需要發(fā)展新理論和新方法。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副校長楊金龍告訴《瞭望》新聞周刊記者。

　　計(jì)算機(jī)的計(jì)算和模擬能力，能夠?qū)瘜W(xué)反應(yīng)的過程進(jìn)行理論預(yù)測和實(shí)驗(yàn)解釋。而隨著人工智能技術(shù)的加持，精準(zhǔn)智能化學(xué)曙光已現(xiàn)，化學(xué)研究將更加“智能”。例如合成一種催化劑，依靠人工實(shí)驗(yàn)不可能窮盡幾千萬種材料實(shí)現(xiàn)催化劑的最佳比例合成，但采用智能計(jì)算的方法就可以在各種化學(xué)元素中篩選出合適的配比。

　　精準(zhǔn)智能化學(xué)研究能夠?qū)崿F(xiàn)高度可控、可調(diào)、可預(yù)測、更高選擇性、更高精度、更高效、更經(jīng)濟(jì)以及更加環(huán)境友好的成果，進(jìn)而推動測量科學(xué)、可持續(xù)材料、信息材料、藥物、能源、環(huán)境科學(xué)和其他化學(xué)及化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新。近年來，楊金龍率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在新型功能材料的設(shè)計(jì)與模擬、表面單分子量子行為的表征與調(diào)控等方面取得了原創(chuàng)性和系統(tǒng)性成果。

　　“在AI技術(shù)快速發(fā)展的驅(qū)動下，我們有理由期待在化學(xué)研究領(lǐng)域涌現(xiàn)出更多的創(chuàng)新成果。”楊金龍說。

　　精準(zhǔn)化學(xué)是未來化學(xué)發(fā)展重要方向

　　《瞭望》：你是如何理解精準(zhǔn)化學(xué)這一概念的？

　　楊金龍：精準(zhǔn)代表了化學(xué)領(lǐng)域未來的研究方向，它強(qiáng)調(diào)過程和結(jié)果的可控性、可預(yù)測性和準(zhǔn)確性。

　　首先，要在化學(xué)研究中獲得更加精準(zhǔn)的科學(xué)數(shù)據(jù)。一是理論計(jì)算模擬需要能在使用盡可能少的計(jì)算資源的情況下模擬得到復(fù)雜化學(xué)體系的電子結(jié)構(gòu)以及動力學(xué)行為。二是需要發(fā)展先進(jìn)的表征技術(shù)對分子體系在原位工況條件下進(jìn)行高精度的表征實(shí)驗(yàn)。這樣，我們才能獲得精準(zhǔn)的化學(xué)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建更加真實(shí)、準(zhǔn)確的物理化學(xué)模型，理解更加復(fù)雜的內(nèi)在規(guī)律。下一步，通過對復(fù)雜規(guī)律的理解，提升我們對化學(xué)反應(yīng)路徑以及分子性質(zhì)的精準(zhǔn)控制能力。從精準(zhǔn)的化學(xué)數(shù)據(jù)到精準(zhǔn)的調(diào)控能力，是精準(zhǔn)化學(xué)的內(nèi)涵所在。

　　近年來，已報(bào)道的圍繞精準(zhǔn)化學(xué)的前沿研究成果越來越多。今年，我擔(dān)任創(chuàng)刊主編的新刊《精準(zhǔn)化學(xué)》已正式出版，希望能為研究工作提供一個交流平臺。

　　《瞭望》：如何才能提高化學(xué)研究的精準(zhǔn)化水平？

　　楊金龍：提高化學(xué)研究的精準(zhǔn)化水平是一個復(fù)雜且多層面的任務(wù)。為此需要從以下方面持續(xù)努力：

　　一是發(fā)展高效的精準(zhǔn)理論方法與程序。為了獲得分子體系精確的能量以及性質(zhì)，所需的計(jì)算量隨分子尺寸的增大指數(shù)增加。因此在實(shí)際計(jì)算模擬中，通常會引入各種近似值，但這些近似值對某些體系會帶來嚴(yán)重的誤差。為此，需要發(fā)展新的方法，在可以承受的計(jì)算資源條件下獲得盡可能精確的計(jì)算模擬結(jié)果。

　　量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)有望為這一方向帶來突破性的進(jìn)展。量子計(jì)算機(jī)能夠大幅提高電子結(jié)構(gòu)計(jì)算的效率，我們在這方面已有布局：一方面，積極發(fā)展計(jì)算方法，將現(xiàn)有的普通超算方法“移植”到量子計(jì)算機(jī)上，為量子計(jì)算機(jī)時代的量子化學(xué)打好基礎(chǔ)；另一方面，尋找一個特定體系，即那些在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上做不了或非常難解決的問題，在量子計(jì)算機(jī)上能很快解決，為未來量子計(jì)算機(jī)在材料領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

　　二是發(fā)展工況條件下的精準(zhǔn)表征方法。為了從實(shí)驗(yàn)上獲得原子尺度的精準(zhǔn)化學(xué)細(xì)節(jié)，通常需要超低溫、超高真空的條件。而真實(shí)的化學(xué)過程往往發(fā)生在常溫常壓甚至高溫高壓下。發(fā)展新的表征手段，在工況條件下獲得盡可能多的關(guān)于體系結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與動力學(xué)行為的數(shù)據(jù)是精準(zhǔn)化學(xué)的重要目標(biāo)。

　　三是發(fā)展智能化學(xué)方法。人工智能目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究的方方面面。從大數(shù)據(jù)中產(chǎn)生化學(xué)智能，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵。在理論模擬和實(shí)驗(yàn)表征獲得大量精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)以后，需要從這些數(shù)據(jù)中提煉規(guī)律、產(chǎn)生化學(xué)智能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對化學(xué)過程進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。

　　總結(jié)而言，提高化學(xué)研究的精準(zhǔn)化水平是一個綜合性的挑戰(zhàn)，需要我們在多個方面進(jìn)行努力和創(chuàng)新。通過這些策略，我們不僅能夠更精準(zhǔn)地進(jìn)行化學(xué)研究，同時也為化學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　從大數(shù)據(jù)中產(chǎn)生化學(xué)智能

　　《瞭望》：人工智能將對精準(zhǔn)化學(xué)研究帶來哪些改變？

　　楊金龍：隨著人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，AI for Science已開始在諸多科研領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。對于化學(xué)尤其是精準(zhǔn)化學(xué)研究，AI技術(shù)也將帶來重要影響，無論是在新材料發(fā)現(xiàn)、模擬準(zhǔn)確性、合成路徑優(yōu)化，還是在實(shí)驗(yàn)自動化方面，它都在推動著精準(zhǔn)化學(xué)的進(jìn)步。

　　一是提高計(jì)算模擬的準(zhǔn)確性。AI可以在計(jì)算模擬中起到加速器的作用，特別是在處理電子結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜相互作用時。傳統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算需要大量計(jì)算資源，而AI通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，能夠在短時間內(nèi)給出更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。同時，復(fù)雜AI模型強(qiáng)大的表達(dá)能力可以用來進(jìn)行波函數(shù)高效采樣，得到體系精準(zhǔn)的能量和性質(zhì)。

　　二是促進(jìn)化學(xué)合成路線的智能優(yōu)化。化學(xué)合成路線的選擇和優(yōu)化涉及諸多變量，從原料、反應(yīng)條件到設(shè)備選擇。AI能夠從海量文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，挖掘出最佳合成路線，預(yù)測最佳反應(yīng)條件，從而降低成本，提高研究效率。

　　三是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室操作的自動化和高通量篩選。結(jié)合機(jī)器視覺和AI技術(shù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)智能化操作，提高實(shí)驗(yàn)效率。尤其在化學(xué)合成中，AI驅(qū)動的機(jī)器人平臺已經(jīng)能夠在數(shù)天內(nèi)完成原本數(shù)十年的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，極大地提升了化學(xué)研究的速度和精度。

　　四是加速新材料的研發(fā)。傳統(tǒng)的材料研發(fā)往往基于試錯法，費(fèi)時費(fèi)力。而AI能快速檢索、分析數(shù)以百萬計(jì)的化學(xué)數(shù)據(jù)，提供材料性質(zhì)的預(yù)測，并推薦潛在的新材料。這種智能化篩選模式將提高新材料的發(fā)現(xiàn)速度和精確性。

　　《瞭望》：怎樣構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)智能化學(xué)系統(tǒng)？

　　楊金龍：為構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)智能化學(xué)系統(tǒng)，我們需進(jìn)行以下工作：

　　第一，精準(zhǔn)收集與整理數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗與質(zhì)量控制。首要任務(wù)是系統(tǒng)地收集化學(xué)數(shù)據(jù)，涵蓋反應(yīng)條件、產(chǎn)物特性、材料性能等；其次，源于文獻(xiàn)、實(shí)驗(yàn)日志、儀器記錄或計(jì)算模擬的數(shù)據(jù)，需經(jīng)過篩選、整理和標(biāo)準(zhǔn)化，方便后續(xù)操作；再者，原始數(shù)據(jù)往往混雜有誤差或缺項(xiàng)，數(shù)據(jù)清洗、異常值處理、缺失值填補(bǔ)和錯誤糾正都是確保數(shù)據(jù)質(zhì)量的必要步驟。

　　第二，構(gòu)建高效的數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)的安全性、可靠性和快速檢索能力，同時要考慮數(shù)據(jù)的備份及恢復(fù)機(jī)制。

　　第三，構(gòu)建精準(zhǔn)化學(xué)人工智能大模型。首先要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為易于模型處理的形式，選取數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵特征降低問題的維度，從而大幅提升模型性能，并減輕計(jì)算任務(wù)。其次，根據(jù)研究目標(biāo)，選擇適合的機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)模型。隨后，利用已整理的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并調(diào)整模型參數(shù)以追求最優(yōu)效果。再者，系統(tǒng)地評估模型效果，利用獨(dú)立測試集檢查模型的準(zhǔn)確性和泛化能力。若模型表現(xiàn)未達(dá)預(yù)期，應(yīng)根據(jù)反饋調(diào)整并持續(xù)優(yōu)化。

　　我們現(xiàn)在正在構(gòu)建一種大參數(shù)模型，嚴(yán)格求解薛定諤方程。一旦求解出薛定諤方程，便可了解微觀物質(zhì)的性質(zhì)。換句話說，就可以知道化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，這是一項(xiàng)激動人心的工作。

　　第四，進(jìn)行精準(zhǔn)智能化學(xué)系統(tǒng)的持續(xù)學(xué)習(xí)與迭代。化學(xué)研究是一個不斷進(jìn)化的領(lǐng)域，建立的精準(zhǔn)智能化學(xué)系統(tǒng)應(yīng)具備持續(xù)學(xué)習(xí)能力，能夠吸收新知識、更新數(shù)據(jù)和模型，保持其準(zhǔn)確性和前瞻性。

　　綜合看來，精準(zhǔn)智能化學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建涉及從數(shù)據(jù)采集到模型優(yōu)化的全流程。這不僅要求對數(shù)據(jù)的嚴(yán)格處理和模型的精心選擇，更需要保障數(shù)據(jù)的安全和系統(tǒng)的持續(xù)更新。只有這樣，才能在精準(zhǔn)化學(xué)領(lǐng)域真正實(shí)現(xiàn)智能化研究，持續(xù)推動科研進(jìn)步。

　　探索分子世界的奧秘

　　《瞭望》：你帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在單分子器件研究方面走到了世界前列，單分子器件是如何工作的，與我們現(xiàn)有的器件工作原理有哪些不同？

　　楊金龍：集成電路的器件如今已經(jīng)做到了幾個納米的尺度，但站在量子力學(xué)的角度，這些器件尺度的最終極限是單個分子甚至單個原子。單分子器件由單個分子構(gòu)成，其功能由該分子的屬性決定。例如，我們可以利用特定有機(jī)分子的光電特性來打造光電器件，或使用分子的磁學(xué)特性來構(gòu)建磁存儲器件。一般說來，單分子器件通過分子對外加刺激的響應(yīng)來工作，通過施加電壓或光照，可以改變分子內(nèi)部的電荷分布或觸發(fā)其特定振動模式，從而調(diào)控其導(dǎo)電性、光學(xué)特性等，實(shí)現(xiàn)所需功能。

　　為了調(diào)控單分子器件的性能，需要對分子的性質(zhì)以及響應(yīng)行為有深刻的理解，這是單分子科學(xué)的研究內(nèi)容，通常需要進(jìn)行高精度的理論計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)表征來開展研究。經(jīng)常使用的儀器設(shè)備包括掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）等，可以對單個分子進(jìn)行高精度成像和操作。

　　與傳統(tǒng)器件相比，單分子器件的獨(dú)特之處在于其靈活的可調(diào)控性與多樣性。現(xiàn)有的器件，雖然尺寸越來越小，但還是利用的半導(dǎo)體材料的體相性質(zhì)，因此其工作原理不隨尺寸變化。而單分子器件的工作原理由分子本身的性質(zhì)決定。原則上可以設(shè)計(jì)出許多原理各異的單分子器件。同時，單分子器件也更容易實(shí)現(xiàn)多功能集成。

　　總之，單分子器件因其獨(dú)特的工作原理與廣闊的應(yīng)用前景，為我們提供了深入探究物質(zhì)行為和開發(fā)下一代納米技術(shù)的機(jī)會，對未來的科學(xué)研究與技術(shù)應(yīng)用均具有深遠(yuǎn)意義。

　　《瞭望》：你帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在單分子器件研究方面取得的成果將來會產(chǎn)生哪些應(yīng)用？

　　楊金龍：自2001年以來，我們團(tuán)隊(duì)在單分子器件研究中取得了一些突破，這些研究除了幫助開發(fā)新型單分子器件外，還加深了我們對分子體系的理解。

　　首先，我們成功地“拍攝”出能夠分辨碳60化學(xué)鍵的單分子圖像。碳60是一種非金屬單質(zhì)，化學(xué)式為C60，是由60個碳原子構(gòu)成的分子，這是世界上首次直接觀察到分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的嘗試。隨后于2005年，我們利用STM針尖對吸附于金屬表面的鈷酞菁分子進(jìn)行了“單分子手術(shù)”，這一創(chuàng)新手段使我們成為首個實(shí)現(xiàn)對單分子自旋態(tài)控制的團(tuán)隊(duì)，大大拓展了人們對分子體系進(jìn)行操控的能力。2013年，我們再次刷新紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了亞納米級分辨率的單分子光學(xué)拉曼成像，實(shí)現(xiàn)了高空間分辨和化學(xué)分辨的結(jié)合。

　　除了這些顯著的技術(shù)突破，我們團(tuán)隊(duì)也始終致力于發(fā)展新的理論和方法。在新概念方面，我們引入了雙極磁性半導(dǎo)體，可以在此基礎(chǔ)上通過電場控制自旋極化方向，為實(shí)現(xiàn)利用自旋自由度的電子學(xué)器件的發(fā)展提供了新的方向。

　　此外，我們還開發(fā)了電子結(jié)構(gòu)計(jì)算新程序，在國產(chǎn)“神威·太湖之光”超級計(jì)算機(jī)上首次實(shí)現(xiàn)千萬核心并行第一性原理計(jì)算模擬，隨后在“海洋之光”上實(shí)現(xiàn)了二百五十萬原子的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算。這相當(dāng)于給科學(xué)家提供了一個強(qiáng)大的計(jì)算模擬工具，可以更準(zhǔn)確地研究材料的性質(zhì)和行為。理論計(jì)算方法還可以用來進(jìn)行新藥研發(fā)、材料設(shè)計(jì)以及復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)分析等，有望在藥學(xué)、材料科學(xué)、催化技術(shù)、信息技術(shù)及能源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域提供新的研究視角和強(qiáng)大工具。

單分子器件 AI ai

中國科學(xué)院

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