■戴亚飞、沈向健

化学理论和机理是化学科学的理论基础。其根本任务是研究化学科学的基本原理，揭示化学反应及其相关过程的机理和基本规律，为其他相关学科的发展提供基础理论支撑。简要介绍了国家自然科学基金化学科学部“十四五”规划、中长期发展规划、学科布局、应用代码以及在化学理论与机理领域的研究方向，供相关人员参考。新基金申请代码于2021年推出。

一个

序

2017年，为更好地适应国际化学发展大趋势，促进我国化学研究转型发展，国家自然科学基金化学科学部对学科领域进行了全面调整，形成了化学理论与机理的新学科方向。根据2021-2035年国家中长期科学和技术发展规划基础科学发展战略的总体目标，结合当前国家自然科学基金工作的特点，国家自然科学基金委化学科学部制定了“十四五”规划和2020年化学理论与机理领域中长期发展规划，明确了学科领域的内涵，分析了学科领域的发展规律和现状，提出了未来学科领域的发展目标和优先方向。

2

化学理论与机理的学科内涵

化学理论与机理是化学科学的一个重要学科领域。它借助物理、数学等基础科学理论及其提供的实验手段，研究化学科学的基本原理和化学体系中一般的宏观、微观规律，承担着建立和发展新的化学理论和实验方法，揭示化学反应及相关过程的机理和基本规律的重要任务。化学理论与机理领域包括以下方向:理论与计算化学、化学热力学、化学动力学、结构化学、光化学与光谱学、化学反应机理、高分子物理与高分子物理化学、化学信息学。这个领域是整个化学学科的理论基础。

图1化学理论与机理的学科内涵

三

学科发展规律和现状

3.1化学理论和机理的发展规律

以数学、物理和计算科学为基础，建立各种理论和计算方法，讨论原子、分子、分子聚集体和凝聚相的一般规律，阐明物质的结构、性质及其相互关系。通过理论计算和模拟，获得化学问题从微观到宏观层面的静态和动态信息，使越来越多的实验现象可以通过计算机模拟再现出来，从而得到正确的理解和认识；同时，通过提出新的概念和方法，可以预测和指导未知的实验现象和实验设计。

通过实验，我们可以观察物质的宏观结构，表征微观结构，测量物质的性质，跟踪化学反应的动态过程。可以从原子、分子层面研究物质静态结构和反应变化动态过程的本质和规律，搭建从微观到宏观、从物理基本规律到复杂化学过程的桥梁。

该学科的总体发展趋势是从一般的键合分子扩展到精确的键合分子和非化学计量化合物。从单原子分子体系到大分子、聚集体和凝聚相体系；从稳态和基态到瞬态和激发态；从静态结构到动态行为；从气、液、固三种聚集状态扩展到各种分散状态；从化学过程的宏观调控到分子、原子、电子和量子态的微观调控；从一般条件下的化学过程到极端条件下的化学过程；从定性描述到定量分析；从抽象原理模型的建立到面向现实的系统。

化学理论和机理领域的研究已经渗透到化学科学的各个分支，能够解决生命、能源、材料和环境等交叉领域基础科学问题的理论工具已经初步建立和发展。化学理论和实验技术的发展为分子科学奠定了坚实的基础，极大地促进了化学科学各个分支的发展。

3.2化学理论与机理的发展现状

理论方法得到充分发展，计算精度和能力不断提高。

化学理论和机理的研究在很大程度上依赖于理论方法的发展。理论化学自上世纪中叶以来取得了长足的发展，主要表现在分子轨道理论、电子转移反应、轨道对称性守恒、非平衡统计力学、分子反应动力学等理论方法的建立。随着计算机硬件性能的提高，理论化学得到了进一步的发展。目前，理论化学可以精确到1千卡/摩尔计算体系能量，高精度的电子结构理论和动力学方法可以描述复杂的化学反应过程，提供丰富的微观信息。与此同时，传统理论和计算化学方法正逐步与化学信息学方法融合。比如预测某个系统的性质，可以用基于量子力学基本原理的方法从头计算，也可以用大数据和机器学习来预测。目前，理论与实验的结合越来越紧密，可以相互印证，相互促进。理论不仅简单解释实验现象，而且逐渐深入到预测材料结构和性能、指导实验设计的阶段。

实验方法的发展和仪器设备的更新大大提高了科学研究水平。

化学理论与机理领域的特点是在原子和分子的微观层次上研究物质的结构和动态过程，并在此基础上分析、预测和调控物质的宏观性质和功能，因此它在很大程度上依赖于“动态原位”的实验方法、技术和仪器。目前国内越来越多的实验室拥有先进的商用测量设备，大大提高了科研水平；国内外同步辐射光源、自由电子激光、极端条件下的物理化学实验及其在化学及相关学科中的持续应用等大型科学设备的开发建设，为化学理论与机理领域的基础实验研究提供了良好的平台，初步培养了一批训练有素、能熟练综合利用这些平台的科学家；理论计算方法的快速发展和普及，也有利于进一步理解和解释实验结果，促进实验科学的进一步发展。

随着理论方法和实验技术的发展，物质结构的图像越来越清晰。

物质结构是化学理论和机理研究的基础。原子结构理论近年来发展迅速，我们已经从猜测结构的时代逐渐进入自动搜索结构的时代。早期从理论上研究分子或物质体系的结构，需要先给出初始结构猜想，然后分别计算能量或某些特定性质，最后通过比较能量或实验结果给出可能的结构。随着计算机技术的发展，目前的算法已经能够自动搜索结构，如粒子群算法、势能面随机游走算法等。通过全局搜索，计算机有很大的机会自动找到系统的原子结构。

仪器分析和实验技术的发展，也为从小分子到纳米粒子、团簇和生物物质的结构确定提供了强有力的支持和保障；从晶体到单分子、准晶、微晶粉末甚至无定形物质；从基态结构到表面、缺陷、激发态、过渡态结构，针对复杂化合物、复杂化学反应体系和超分子自组装体系，结构化学领域正在不断创新“看得清”材料结构的思路和技术。目前，结构化学和合成化学之间有着很好的相互作用和促进作用，直接指导特定结构的定向合成和性能调控。同时，它还与生物化学、环境化学、催化化学、材料化学、原子物理和化学有着实质性的交叉融合，呈现出共同发展的良好态势。

理论与实验研究相结合，架起了从物质微观结构到宏观性质的桥梁。

化学热力学是物理化学的重要分支之一，是从微观理论到宏观性质的桥梁。根据系统的宏观可测性质和热力学函数关系，可以判断系统的稳定性、变化趋势和变化程度。随着实验仪器和技术的发展，热力学性质的测量变得越来越精确。理论上，对于一个简单的系统，可以精确地计算热力学性质，而不会破坏谐振子的近似模型。对于复杂系统，需要使用分子模拟进行相间采样空，这需要开发高效的强化采样技术来获得收敛的热力学性质。由于热力学性质的重要性，基于理论计算和实验测量获得的热力学数据，国内外建立了许多分子、材料和生物系统的热力学数据库。这些数据库将在基于人工智能和大数据的化学信息学和化学研究中发挥越来越重要的作用。

近年来，除热力学性质外，化学结构与光、电、力、磁等其他性质的关系也变得更加清晰。在这些性质的研究中，新的理论和机制不断被探索。在研究物质性质的过程中，提出了新的概念和机理，为化学和材料等其他科学领域的发展提供了新的动力。

激发态的研究丰富了化学反应的内涵。

与热化学反应相比，光化学反应具有可控性强、选择性高、反应条件温和的特点。目前，光化学、光谱学、物理学、化学、材料科学和生命科学交叉融合，产生了许多新的前沿研究领域。基于超快光谱技术可以研究实时化学反应过程。空分辨率和时间分辨率的结合，可以从单分子到超分子体系、生物大分子体系、微纳结构等不同层面研究光化学及其过程。各种新型有机、无机和有机/无机复合体系以及纳米结构材料的发展，也为光化学和光谱学研究提供了新的研究对象，形成了新的学科生长点。光化学和光谱学的研究成果不断应用于现代高科技领域，促进了社会经济的快速发展。

各种化学反应的动力学过程和反应机理逐渐被揭示。

化学科学研究的核心是化学反应。化学动力学主要研究化学反应的理论和机理。目前，化学动力学的研究对象已从简单的气相体系扩展到更复杂的体系，如与大气、燃烧、表面、生物等学科密切相关的复杂体系，为研究与能源、环境等科学技术相关的化学反应过程提供了重要的实验和理论基础。与此同时，化学动力学的研究也逐渐渗透到原子、分子和精细量子态的层面；分子动力学过程的研究已经从基态动力学扩展到激发态动力学。化学动力学的理论研究也从单势能面的绝热动力学发展到多势能面的非绝热动力学，反应过程的时间尺度研究开始从微秒和纳秒走向飞秒和阿秒。基于新一代波长可调谐极紫外自由电子激光器的新动力学实验方法的蓬勃发展，极大地推动了化学动力学实验研究的发展。化学动力学在过去的几十年里取得了一系列伟大的成就，揭示了各种化学反应的本质。随着我国各领域的发展，对复杂系统化学动力学基础研究的需求越来越大。比如燃烧化学动力学的研究涉及到高激发态反应过渡态的动力学，已经成为我国发展高技术发动机的重要基础；化学激光研究还需要化学动力学基础研究作为支撑；大气霾化学的研究也离不开复杂分子化学动力学的研究。总之，化学动力学正逐步成为化学中一个非常重要且高度活跃的研究领域。

对聚合物等复杂系统的结构和动力学行为进行了深入的研究。

聚合物体系是一种复杂的体系。由于聚合物链单元之间的强共价键，聚合物表现出空之间的大尺度相关性和宽的时间弛豫谱，导致其化学结构演化的极其复杂的动力学行为。要在分子水平上理解高分子体系的结构和动力学行为，需要将凝聚态物理理论与应用数学理论相结合，这是极具挑战性的。目前国内高分子物理和高分子物理化学的主导方向是高分子结晶和高分子自组装，已经形成了强大的研究团队，而高分子流变学和聚电解质的研究方向相对薄弱。

3.3学科发展中的问题

理论和算法的发展略显薄弱。

理论化学可以在微观上严格证明化学的直观概念，并通过建立不同体系的模型进行近似模拟。因此，理论和算法的发展对整个学科的发展起着关键作用。但目前的理论和算法并不完善，仍有一些复杂系统的分子结构、动力学行为、反应过程和材料性质不能达到理想的结果，包括:强关联电子系统、电子激发态理论、多原子反应体系的高精度势能面构建方法和精确量子动力学理论方法、大分子和凝聚相体系的低尺度有效算法、描述小体系和有限体系涨落效应的新方法， 复杂系统热力学和动力学计算的高效采样方法解决上述问题的理论和方法需要进一步改进和发展。

近年来，我国在理论和算法方面取得了长足的进步，国内理论科学家也开发出了自己的算法，解决了一些关键问题，得到了认可和广泛应用，在国际上占有一席之地。即便如此，算法和程序的开发仍然是我国理论化学和计算化学的一个不足，需要继续加强这方面的积累。

人工智能技术在理论化学中的应用还不成熟。

大数据时代人工智能的发展势不可挡。将人工智能技术正确引入理论和计算化学领域，不仅可以显著提高计算效率，还可以突破理论化学的瓶颈，解决当前理论无法解决的问题。当然，人工智能在化学中的研究还处于起步阶段，存在很多问题，包括:作为人工智能的基础，现有的数据库系统还缺乏统一的标准，很多急需的数据库完全空白；化学研究的机器学习算法还没有系统地开发出来；人工智能时代的理论化学语言尚未形成；现有人工智能在化学研究中的广泛应用需要进一步检验和改进。同时，需要在基于人工智能技术的分子合成路径高效自动化设计、高效药物研发、功能材料设计、谱图分析等应用上加强和取得更多突破。

拥有自主知识产权的大型通用计算化学软件还是空白色。

计算软件是理论化学家眼中的重要工具，是理论化学发展不可或缺的工具。目前世界上广泛使用的理论化学软件几乎都是国外开发的，而我国拥有自主知识产权的大型通用计算软件几乎空白色。目前，我国硬件技术发展迅速，自主研发的超级计算功能处于世界领先地位。然而，国外软件与我国超算集群硬件不兼容，导致我国硬件资源极度浪费。同时，由于缺乏自主开发的软件，我国科学家自己的理论方法无法快速普及。此外，在当前严峻的中美贸易战形势下，外国随时可能对中国形成技术封锁和软件出口管制。一旦我们离开现有的计算化学软件，我们的理论化学家将会举步维艰。因此，随着理论方法的发展，迫切需要免费开发软件，争取在国内开发出一套具有自主知识产权的大型通用计算化学软件，具有通用计算化学功能，可以替代国外现有的商用计算软件。这款软件的开发将直接面向中国自主研发的新型超级计算框架，吸收中国科学家自己开发的理论方法。

理论研究没有充分发挥预测实验现象、指导实验设计的作用。

理论研究通常基于一定的假设和近似，理论模型是实际系统的抽象和简化。因此，理论和实验之间往往存在差距。一方面，由于理论发展的不完善和计算能力的限制，目前的理论研究往往存在模型过于简单化、未充分考虑实际情况等问题。，导致理论计算结果与实验结果偏差较大，无法有效预测和指导实验。另一方面，在复杂和极端的条件下，很难实时、动态和原位地表征复杂系统，导致实验数据不完整和不准确，从而使理论和实验之间的相互验证变得更加困难。目前，理论分析对实验数据的解释已经达到了相当好的水平，这在很大程度上有助于实验研究者对实验数据有更深的理解，形成更好的物理图像。然而，理论分析很难走到实验研究的前沿，预测实验结果。这需要计算能力的进一步提高和理论方法的进一步发展。当然，这也离不开实验方法和技术的改进。理论科学家要充分利用实验数据，从实验结果中进行分析和简明，形成新的概念和理论，从而达到进一步预测和指导实验的能力。理论和实验只有共同发展，才能相互融合，相互促进，取得突破性进展。

需要提高高空分辨率、高时间分辨率和高能量分辨率的光谱和成像技术。

高分辨率光谱和成像技术是化学反应研究的保障。目前，在超高真值空的理想条件下，以高空、高时间、高能量分辨率全方位测量化学反应动力学过程已成为可能。这使我们能够对化学反应有更全面和深入的了解。然而，对一些复杂化学反应体系的机理和动力学过程的研究还很不够。有必要发展高时间、高空和高能量分辨率的光谱学和成像技术，以全面研究燃烧、大气、化学激光和表面催化等重要化学反应中的动力学问题。

现有科学仪器的有效利用仍需进一步加强。

由国家自然科学基金委资助搭建的“大连极紫外相干光源”已于2018年通过验收并投入运行，这是基于高增益谐波产生模式的、具有超高亮度和超快时间特性的可调极紫外相干光源的综合实验装置。已建成的大科学装置应该得到充分利用，要想让极紫外相干光源充分发挥作用，助力我国科技的发展，增强我国在国际上的科学和技术竞争力，就应该立足于把它应用于