刘若庄:搞科研没有巧路可走

作者:蝌蚪君 来源:蝌蚪五线谱

很多人平时没看过一本物理化学的论著,读书时物理化学也不常及格,很难理解其中的知识。

对刘若庄在中国应用量子化学研究,大部分人都处于云里雾里状态,比如水分子间氢键的键能,或者是赝势能量分解方案和赝势能量梯度法等。毕竟距离生活太远,理解能力更是有限。

他一辈子都在研究化学,为什么很多人对于他的离开感到悲痛万分?

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无一日不读书

1925年5月25日,刘若庄出生于北京。当时,一家人生活十分清苦,一家7口全靠父亲一人维持生计。刘若庄较早就养成了质朴、笃实的品质和作风。

受父亲“无一日不读书”文人情怀的潜移默化和母亲诚实做人、认真做事的影响,刘若庄培养并保持着阅读的习惯,这也是他日后开展科研工作的有力后盾。

刘若庄上中学时,正值抗日时期。受战事影响,刘若庄六次易校,辗转求学,坚持完成初高中学业。

1943年,高中毕业后,他放弃保送,凭借优异的成绩考入私立北平辅仁大学化学系。大学期间,刘若庄依靠每年获得的奖学金完成了学业。

1947年,刘若庄于辅仁大学化学系毕业,并考入国立北京大学理科研究所化学部攻读研究生学位,师从号称北大“三大民主教授”之一的袁翰青教授。这期间,他进行有机化学研究,以实验方法研究氢键体系,学会了最基本但很重要的一项能力——查找文献,为今后的科学研究奠定了基础。

1950年尚未硕士毕业的刘若庄留校工作,成为了物理化学家唐敖庆教授的助教,从此开始了教学和科研之路。

1952 年到北京师范大学化学系从事教学科研工作。当时北京师范大学还处于重教学、轻科研的状态,刘若庄以超前的认识和独到的见解,不断向领导提出建议。他认为科研与教学是相辅相成的,高校任课老师必须要有科学研究,在与同行交流中了解先进理论,在科研中掌握实践技能,提高教学能力。

走通理论与实验结合的科研思路

1955年,刘若庄重新拾起因繁重教学而被搁置的真正的科学研究。受L. C. Pauling的《化学键的本质》一书及唐敖庆教授的文章启发,他开始研究“水分子间氢键的键能”课题。

刘若庄将化学键作用能的近似计算公式和理论方法应用计算氢键键作用,以量子力学原理出发得到水分子模型,计算水分子中氢键的键能,从而说明了形成氢键的主要作用力。这种创造性地利用电子云的概念解释氢键本质的方法远优于当时国际上流行的点电荷模型。这也意味着刘若庄在独立学术研究道路上迈出了重要的一步。

随后,他带领学生研究紫外吸收光谱,通过对比其他形成氢键的体系的实验现象,证实异丁基异腈、异丙基异腈与萘酚之间可以形成氢键,并且从量子化学角度,采用电子配对法,对异腈与羟基形成氢键的共价成键作用的大小以及离位能进行计算,从理论上说明异腈与羟基之间能够形成氢键。

这项工作被录入1965年“全国科学技术研究成果”中。刘若庄的理论与实验相结合的科研思路不仅走通了,走得还分外顺利。这在当时那个年代,无疑是超前的。

1974年,刘若庄与北京师范大学其他学科同仁组成了量子力学小组,以多学科结合形式开展对量子力学的研究、探讨。

1978年,刘若庄和同事一起创办了量子化学研究室(2005年与物理化学教研室合并,更名为理论与物理化学研究所),并开始研究生培养。缺少合适的教材,他们就自己根据课程安排编写;缺乏重要课程的老师,他们就请校内和兄弟院校的知名老师前来访问讲学,为学生传授先进的知识。这使得量子化学研究室一开始就以高起点开展教学和科研工作,在研究室教学中也逐渐形成了理论与实践相结合、占领学术制高点的人才培养模式。

为了实现创新和突破,他最先尝试将能量分解方案发展用于分析反应过程中过渡态和中间体各组分间的作用本质,并且完成了赝势能量分解方案和能量梯度法。

1984年,刘若庄提出新的赝势能量分解方案和赝势能量梯度法,创造性地采用赝势从头算法,来代替日本著名量子化学家Morokuma的能量分解方案中的全电子从头算法,得到了一种以赝势从头算为基础的变分能量分解方案,从而使含重原子的化学反应机理的研究得以实现。这项工作在1987年让刘若庄荣获国家教委科技进步奖二等奖。

热爱科学、追求真理的好老师

20世纪80年代是量子化学,包括计算化学的分水岭,计算化学在90年代飞速发展,并大放异彩。当时,刘若庄在国内最早提出将量子化学理论和计算方法应用于研究化学反应途径和沿反应途径的动态学问题。刘若庄带领课题组通过高精度计算反应过渡态和反应途径的内禀反应坐标(IRC),对许多有意义的有机反应的机理进行研究,并提出了解释和预测。同时,他们对导电高分子结构与性能进行研究,发展了定量微扰晶体轨道法,为设计新型高分子提供理论依据,达到国际先进水平。

1981年,他被国务院批准为第一届博士研究生导师,同时也在量子化学研究室带研究生。

1985年,刘若庄被选为国际理论有机化学家联合会会员。他与合作者扩展了当时国际先进的梯度优化过渡态新方法,编制了可用于包括重原子体系赝势梯度法程序提出了确定反应中间体过渡态的结构新方法:结合能量分解法,研究了烯烃加成的取化基效应及异构化效应,并提出了若干新概念及新见解。

“搞科研首先要有自己的研究方向,要有自己的想法。要老跟着原先导师做,就不会有自己的发展。其次,搞科研要不怕吃苦,做科学研究要有执着精神。一个人哪怕只做出一点点的成绩,都需要艰苦奋斗,没有什么巧的路可走。我觉得我是中等人才,不是什么特别聪明的人,但我很努力。”刘若庄曾说,“教了一辈子的书,能够成为对学生在做人、做学问方面有所帮助的好老师,是我一生的追求。我希望我做到了这一点。”

北京师范大学党委书记刘川生曾评价他称:“刘若庄院士是一位‘热爱科学、追求真理’的‘好老师’。”

据悉,截止2018年,刘若庄为国家培养了博士和硕士 50 余人。他一生专注科研,他的精神永远激励着后辈学子奋斗前行,献身科研。