从《结构化学》到《分子模拟实验》

王 宝 山，侯 华武汉大学化学与分子科学学院e-mail: baoshan@whu.edu.cn

2010-11-21 成都

化学专业《结构化学》本科基础教学

+ 理论与计算化学的科研

2010 年 9 月出版

高等学校化学实验教材：

分子模拟实验

提 纲

1. 为何需要一本这样的教材 ? (Why)

2. 怎样做的这样一本教材 ?(How)

3. 教材包括哪些内容 ? (What)

4. 将来走向何处 ? (Where)

Why?

•《结构化学》的“教”与“学”问题

到底难不难教？到底难不难学？

难者不会，会者不难！清 ( 光绪 ) 八宝王郎 [ 王濬卿 ] 《冷眼观》

会当凌绝顶，一览众山小。

唐 杜甫

Why?

•《结构化学》的两大特点

1. 公式多大大小小上千个公式！

期望值：能推导、求解、分析 Schrodinger 方程！

是不是对每个学生都要求如此“了不起”？

公式定理是为了“背”着好玩？还是为了“用”着方便？

了不起！

疑问

定义 + 定理

抽象（苦思冥想）

抽象

Why?

•《结构化学》的两大特点

2. 理性强

形象（一目了然）

哪个更容易被接受？

理性让人望而生畏

形象让人喜爱有加

PK

Why?

•《结构化学》的特点

读 Gone with the wind?

还是看《乱世佳人》？

即使看的是小说，想的仍是费雯丽！

一本顶级《结构化学》教材

Mario Vargas Llosa

红崖天书

一部雅俗共赏的 Oscar 电影？???

一本能获 Nobel 奖的小说

Why?

• 改编《结构化学》

深奥教材 ( 小说 ) 可视化计算机实验 ( 电影 )

课堂听讲背诵记忆理论假设

实践是检验真理的唯一标准1978 年 5 月 11 日《光明日报》

胡福明

眼见为实自力更生联系实际

改编

化学

How?

• 用什么工具？

国外一般用 Gaussian 软件

• 普及• 科研级软件• 贵

数据进 数据出

GIGO: Garbage in, Garbage out

The purpose of computing is insight, not numbers.

Richard Hamming(1915-1998)

How?

• 用什么工具？

Insights in, Insights out

GIGO IIIO

图进 图出• 教学用特别合适• 便宜

功能虽非强大，但很齐全

目前最常用的所有电子结构模拟方法及分子力学模拟方法

2D & 3D 模型

能图示所有《结构化学》中的基本概念及方法

What?

• 做什么实验？

化学

必须mandatory

经典 classical

典型 prototype

思路兴趣举一反三

• 结构模型优化

• 分子轨道分析

• 势能面

• 模拟化学反应

• 计算分子光谱

• 模拟生物分子• 综合实验

• 基本原理方法

• 软件操作手册

MCP原则

What?

• 做什么实验？

问题答案

怎样过河？

模型轨道

What?

• 例： H3势能面

理论极限 benchmark

势能面是化学的核心 势能面 = 化学的一切

研究的最早、目前为止最精确的化学反应体系 典型的经典问题

Hirschfelder, Eyring, Rosen, JCP 4, 121 (1936).

Boys, Cook, Reeves, Shavitt, Nature 178, 1207 (1956).Edmiston and Krauss, JCP 42, 1119 (1965).

14~30

15

Conroy and Bruner, JCP 47, 921 (1967). 7.7

Shavitt, Stevens, Minn, Karplus, JCP 48, 2700 (1968).

11B. Liu, J. Chem. Phys. 58, 1925 (1973).

9.5Siegbahn and Liu, JCP 68, 2457 (1978).Boothroyd, Keogh, Martin, Peterson, JCP 95, 4343 (1991). 9.54

Wu, Kuppermann, Anderson, PCCP 929, 1 (1999).

9.613 J. Chem. Phys. 104, 7139 (1996).Mielke, Garrett, Peterson, JCP 116, 4142 (2002). 9.608Pavanello, Tung, Adamowicz, JCP 131, 184106 (2009).

H+H2 势垒高度

Heitler and London, Z. Phys. 44, 455 (1927).

Wang, Phys. Rev. 31, 579 (1928).

What?

仅仅花几分钟就可以“站在巨人的肩膀上”

教 教育 Not only teach but also educate

• 例： H3势能面

Wang S. C. 王守竞

Liu Bowen

Sun C. E. 孙承谔Eyring, Gershinowitz, Sun, J. Chem. Phys. 3, 786 (1935).

Where?

• 下一步？

• 可操作性 灵活性

• 原子分子 晶体结构

Erwin Schrodinger

Thus, the task is, not so much to see what no one has yet seen; but to think what nobody has yet thought, about that which everybody sees.

为什么要这么操作？

直观抽象 形象

会看的见 看的懂看不见 ？

致 谢

鲍浩波 编辑 董淑静 编辑

程功臻 教授

孔繁敖 教授 刘成卜 教授 张增辉 教授

书评：

谢 谢！