——记中国科学技术大学化学与材料科学学院教授江俊
　　
本刊记者  李明丽

　　
　　
　　1877年，德国化学家奥斯特瓦尔德和荷兰化学家范托夫创刊的《物理化学杂志》开始发行，这个时刻，被公认为是物理化学正式成为一门学科的起点。所谓“物理化学”，就是用物理之方法来探究化学的基本规律和理论。在这个交叉地带中，江俊乐此不疲的行进了10余年。“这是我非常热爱，也寄予无限期望的一个领域。”他说。
　　
行新途，点燃绿色之“光”
　　
　　在成长的过程中，江俊首先铸就的是物理之矛。“我于2000年到中国科学院上海技术物理研究所攻读硕士学位，在这里遇到了我的第一位恩师——陆卫研究员。”陆卫研究员是江俊的伯乐。在当时，他发现江俊的数学和编程都很突出，于是就引导江俊开展理论模拟研究，他们很快开发出了一个量子阱半导体器件光电性质模拟软件，该软件被加拿大crosslight光电半导体软件引入为专用模块。
　　随后，出于交叉课题的需要，陆卫研究员推荐江俊加入瑞典皇家工学院研读联合培养博士，在这里，他遇到了科研生涯的第二个引路人——罗毅教授。“2003年，我来到瑞典皇家工学院深造，罗毅教授带我跨过了从半导体物理到理论化学的专业鸿沟，他指导我将固体物理的原理引入到量子化学的计算中去，发展了一系列的多尺度模拟方法。”该方法被著名理论化学家Hans Agren评价为“具有真正的原创性和广泛的应用前景”。
　　在这同时，罗毅教授“快乐科研的精神”也深深地影响了江俊。“科研不是为了求生存，也不是为完成项目任务，而是为了享受获取新知识的快乐，这是罗毅教授让我明白的一个简单而又深刻的道理。在‘快乐科研’的指引下，我们不会因为遇到研究困境而沮丧，也不会因为学术竞争而急于求成，更不至于为了拿到项目而忽视学术规范。”他说。
　　于皇家工学院博士后出站，江俊来到美国加州大学尔湾分校进行研究工作。逐渐地，江俊的羽翼渐丰，2011年，他乘着千人计划的“东风”回到了中国科学技术大学，对他来说，这里才是归宿。
　　回国后，江俊把光催化确定为他的研究重点之一。在各种可再生能源中，太阳能的开发和利用被寄予厚望。发展光催化体系，将太阳能转化为化学能，是解决能源与环境问题的一个有效途径。“光催化主要是通过化学手段将自然界中丰富的水和生物质，或环境问题中的二氧化碳等，经氧化—还原反应转化为能量载体分子，如氢气和乙醇”，江俊介绍说，氢气是清洁的能量载体，其氧化利用后的唯一产物是水，可再次经太阳能制氢循环利用。另一方面，二氧化碳的转换堪称变废为宝，可以在直接控制污染的同时，提供存储便利的化学能。
　　为了实现这种“绿色”的催化体系，江俊组建了一个理论结合实验的研究团队（包含3位青年千人），开展了国家科技部“973”青年科学家专题“光催化体系表界面电子态的耦合与演化”和多个自然科学基金委的面上项目。通过不懈的努力，他在光催化体系方面收获了诸多新的成果。
　　光催化体系的理性设计长期受多相、多外场、多过程耦合等复杂因素制约，进展缓慢，导致相关实验研究缺乏理性设计，以摸索为主。“针对于此，我们抓住电子运动这一主线，把复杂的环境外场、分子构型、材料构象、界面结构等因素联接起来研究，成功找到一些关键的材料参数。”江俊说，这些参数帮助实验降低设计复杂度，实现了很好的理性设计。
　　在这之后，他又开展了光催化过程的微观机理与宏观性能之间的本质性联系研究，“在此过程我们提出了‘理论先导—精准制备—谱学表征’三位一体的协同研究模式，聚焦激子运动耦合这一主线，将复杂因素归结为对激子的影响，开展交叉科学研究并取得了良好效果。”通过实验，江俊陆续阐明了光催化过程中各个步骤的作用机制，把微观与宏观两个尺度的调控与表征实验研究协同起来，挖掘出制约光催化效率的各种关键参数及其联动机制。“举个例子来说，化学反应原子键的重构伴随着电子云改变，因此我们着重模拟研究了极化电荷对化学反应的影响，设计了集中复合材料体系，利用材料的功函数、电负性、偶极矩等差异，诱导电子自发的单向运动形成极化，理论指导实验获得了优越的光催化性能。拓展了人们对化学转化中电子运动这一‘微观引擎’的控制能力，促进催化剂的理性设计。”江俊介绍说。
　　近期，江俊带领团队设计了一种独特的一维三元多节点鞘硫化物异质纳米棒，促使光催化产氢性能得到显著提高，被称为“这一工作为今后合理设计光电功能化的纳米体系提供了新的思路”，为MaterialsView、今日头条等多个媒体报导。一路走来，江俊受到了诸多赞誉。他所负责的青年“973”项目获得了科技部中期评优；多篇文章被Angew、Adv.Mater.选为VIP或封面文章，并被MaterialsView推荐。
　　江俊的“野心”不只停留在理论研究上！他将原始创新成果集成为一套实用的设计与表征模拟软件，指导体系的理性设计和性能优化，大幅度地提高光催化效率。另外，江俊开发的几个参数计算及其联动仿真程序已在逐步搭载到北京泊菲莱公司的业界领先的光催化实验设备上。“未来，我还计划打造全球首个光催化模拟设计—制备—表征的生态平台，免费为学术用户提供简单的机理分析和材料设计，并通过广泛收集和分析实验数据加速理论模型的完善，这将为广阔的光催化领域提供理性设计原则，有望推动我国新能源产业的发展。”江俊盘算着。
　　
新材料 新创造
　　
　　如果说钢铁，水泥是传统产业的重要基础，那么，新材料就是发展战略性新兴产业的基石。美国已启动两轮“材料基因组计划”，而我国也将新材料列为七大战略新兴产业和“中国制造2025”重点发展十大领域。在中国经济不断复苏和高科技产业迅速发展的带动下，未来中国新材料市场将保持高速增长的势头。“但是我国材料行业起点低，而且长期承担利润空间极低的粗加工业务。材料大数据的缺乏已是我国材料企业往高端升级的瓶颈。”江俊感叹道。
　　针对我国目前严重缺乏材料基础数据的现状，江俊与恩师罗毅教授带领团队率先建立了材料基因创新研究平台。该平台的工作内容主要包含材料基因收集、基因数据库构建、基因数据图谱分析以及性质模拟4个主要部分。依托该平台，他带领团队在国家超算中心等部门的配合下，已获取了上千万级的功能分子、百万级别晶体结构的材料特征数据，构建了实用的材料基因数据库，为实现江俊建立研究平台的目的之一——提供材料大数据检索和订阅服务，夯实了技术基础。
　　目前，江俊已经研发并且上线了一个用于检索材料信息的网站—— “www.dcaiku.com”，现在该网站已经可以完成基于分子结构、名称和性质的检索、过滤和实时可视化。材料大数据检索和订阅服务主要面向国内高校和研究所的科研用户，服务内容主要包括4项：功能分子、高分子、分子晶体、纳米结构、固体材料等材料的搜索；材料性质的检索和分析；基于量子化学计算的数据检索以及文档服务，包括优化空间构型、计算量子态结构等；利用量子化学计算预测物理与化学性质，模拟多种谱学响应，揭示实验机理，如分子电子学与光子学、化学反应、光催化、光电转换、传感与探测、生物化学等。“我们希望通过量子力学计算、机器学习等手段对数据库进行完善，以期学者可以从数据库中获取新的材料科学知识，帮助其进行研发工作。”江俊说。
　　另一方面他还带领团队依托超级计算机，开发了量子化学、大数据、人工智能方面的核心技术，实现了材料大数据分类、清洗和归纳。这些核心技术在国际和国内都属于科技前沿，现已应用在功能分子和固体材料的大数据分析中，取得了良好效果。在此基础上，江俊挖掘材料基因指导新材料开发，为企业和科研用户提供材料基因定制服务。
　　该项服务主要包括针对具体应用的分子与固体材料设计；针对特征性能参数（光、电、磁、热、吸附、活性等）优化的材料基因数据服务（小型数据库或软件）；实用器件性能（化学反应、发光、导电、光催化、储能、探测等）仿真。在此方面，江俊已经和多家公司达成了合作，成功地完成了多项材料筛选设计工作，产生良好经济效应。“比如，我们基于材料大数据分析实现了航天飞机涡轮部件记忆金属材料的性能仿真和筛选，为中航工业某飞机集团公司提供了材料计算软件的定制服务。”江俊说，自2010年至今，他带领团队每年承担了大量设计项目，所发展的极端条件下(温度3000K、压力10GPa、70000金属原子) 记忆金属材料，每年为中航工业某飞机集团公司节约高温与高压的能耗成本、安全成本和生产成本达4320万元，部分优秀新材料已用于波音飞机的制造。
　　
教学“工匠” 志在前方
　　
　　江俊始终坚持科研和教学并重，他曾担任中国科学技术大学少年班学院2012级创新班和2015级创新班两届班主任。为了了解学生心理情况，帮助学生成长，江俊自学心理学课程，坚持每年请每个学生共进一次晚餐，“在这个过程中，我会通过轻松的聊天来了解他们的生活和学习状态，解答他们在生活中及学习中的各种疑惑和难题。”
　　中国科技大学少年班有一个教学特色，就是在学生入学时并不硬性要求其确定主修专业，而是赋予学生一段时间去尝试摸索，“这固然是很好的，但是我却发现大部分大一的学生，往往很长时间也拿不定主意选择什么主修专业，对各学科的特点基本特点也不甚了解，从而白白浪费了光阴。”依江俊的个人的经验，早点确定专业是有利于个人发展的，“吾生也有涯，而知也无涯。现代科学的一个特征就是知识量和信息量太大，那种不管有没有兴趣总之都学一点的同学很容易贪多嚼不烂。学很多专业，其实还不如将精力放在一个专业上。”为了让学生认清楚知识树的脉络，尽早地发现自己的志向所在，江俊发起并主办了“少年班讲坛”，请学术界和产业界的杰出青年人来讲解对科学、专业、产业方向的看法，来让学生们有个参考与借鉴。
　　江俊还十分注重提升学生的“双创”能力，他在学校团委的支持下创建了“极客中心”，鼓励学生依据兴趣爱好，学习未来技术，开展创新创业。在极客中心，以江俊直接指导的少年班学生为主体的材料基因团队，获得了2016年安徽省“互联网+”大学生创新创业大赛冠军、全国“互联网+”大学生创新创业大赛银奖。“以前学生喜欢埋头做实验、搞研发，不喜欢搞项目，不接地气。参加双创大赛，不仅锻炼了他们的学识、增加了自信，也让他们找到了服务社会的价值。”江俊说。
　　独乐乐不如众乐乐，近两年来江俊专注于科普事业，应地方政府宣传部、图书馆、中小学邀请，在长沙、贵阳、长春、郑州、合肥等地做科普讲座20余次。他用深入浅出的讲解，为学生和公众展示了一个精彩和神奇的科学世界。
　　在科普工作中，江俊很擅长找到切入点，引发大众兴趣。他会以轰动全球的事件人工智能Alphago战胜世界围棋冠军得主韩国棋手李世石为引子，来介绍计算机与化学结合的成果——计算化学的产生与广泛应用；从一个苹果砸中牛顿的脑袋开始，引领学生们讨论为什么各个星球在宇宙中能不相撞，相安无事地运行；以星际穿越这部电影为开头，介绍质量对时间和空间的弯曲作用；利用黑洞做时空隧道，实现未来星际航行梦想的前景。解释星际航行中的不同星球时间流动速度不一致的原理。在这个过程中，他会以视频、笑话、电影、小故事、互动提问等方式，来增加科普课程的趣味性和生动性。
　　谈到物理化学的研究前景，江俊信心十足，“随着人类观察微观世界的能力拓展，和高性能计算机技术的突飞猛进，我们逐渐可以帮助实验化学研究从原子、分子和量子的各个微观角度来理解和改造物质世界，并展现出强大的理性设计优势。”他说道。然而，化学世界的复杂性也给人们带来极大挑战，利用理论和计算模拟，从微观结构和量子态设计出发到介观的分子与材料性质模拟并最终达成对宏观体系功能的优化，这个过程中的复杂度（自由度）和计算量是急剧增大的。为了破解该难题，江俊计划带领团队聚焦于开发快速的多尺度模拟方法，并发展化学的大数据和人工智能手段来提炼有效的化学结构与性能的描述子，“另一方面，我还打算深入探索量子计算对化学体系模拟的加速作用，然后将这两方面的工作结合起来，实现理论化学对物质的制备和调控的理性指导。”江俊说。
　　科技是第一生产力，是提升综合国力，改善民生水平的“引擎”，江俊将在科研之路上一往直前，为中国的发展助力！
　　
　　
专家简介：
　　江俊，中国科学技术大学教授，入选中共中央组织部首批“青年千人计划”。瑞典皇家工学院理论化学博士，中国科学院上海技术物理研究所凝聚态物理学博士。从事物理化学研究，发展和应用多尺度的物理与化学理论方法，致力于解决纳米材料、分子电子学与光子学、光催化领域中的实际问题。在量子器件领域获专利5项，发表SCI收录论文90余篇，开发的5个针对不同应用的计算程序包已被一些国际研究组和工业界应用，其中TBMD软件用于西飞集团的极端条件航空部件设计。入选2015年科学中国人年度人物，获2015年唐敖庆青年理论化学家奖。同时，江俊还是科技部“青年973”项目负责人，担任《中国科学—化学》《中国化学快报》《中国光学》期刊青年编委。