吴超：为材料物理“加速”

本刊记者  张天龙     

    随着国民经济的飞速发展，我国材料科学迎来了全新的发展机遇。以科学技术推动材料事业的发展，为经济发展服务，成为科技工作者的历史使命。在人才林立的西安交通大学的实验室里，他正用智慧和汗水将梦想凝结成形。朴实的话语，蕴含的却是他十余年来为祖国材料物理化学科学事业“加速”的梦想。他就是西安交通大学前沿科学技术研究院材料物理中心独立项目负责人吴超。

    吴超的求学之路是一条向上的曲线，2001和2004年，他在大连理工大学分别获得学士和硕士学位，科研的道路越走越远，学术研究越来越深，求知的心指引他走出了国门。2009年，吴超获美国韦恩州立大学化学博士学位。2009年至2012年，在美国圣母大学做博士后研究。

    储备多年，吴超为回国做好了充分的准备，扎实的专业基础与过人的胆识，成就了硕果累累的研究成绩，“三大突破”让国内外同行为之侧目。

    关于复杂有机共轭体系的电子激发态的理论突破，针对这一问题，在与博士导师光谱学家Vladimir Y. Chernyak 教授等人的合作中，吴超参与提出并发展了描述共轭有机体系中电子激发态的激发子散射方法，该方法解决了计算超大分子体系电子激发态的难题。

    共轭有机体系是潜在的良好的光电材料。理解它们的光电性质是设计、改良这些材料的前提。已有的基于量子力学理论的方法，由于计算量过大，不能够处理复杂体系。激发子散射方法将电子激发态表述为激发子在分子内传播以及其在节点处散射的行为，从而能够精确描述复杂体系的激发态。激发子散射方法的定性描述最初发表于国际物理领域顶尖杂志《自然·物理》上，该杂志的新闻与评论专栏在第一时间特约理论化学物理学家Eric R. Bittner 教授对这一理论突破进行了专文评论与解读。在数年内，这篇文章已经被广泛引用。著名实验光谱学家Gregory D. Scholes 在一篇综述中这样评价“吴等研究人员最近发表了一种通过复杂的方式连接结构单元的方法，该方法能够预测纳米尺度系统的性质。该工作的优美之处在于通过概念上简洁的方法描述复杂体系的复杂过程”。

    第二个突破是，他发展了一套基于第一原理的综合方法，该方法能够系统的、准确的、定量处理覆盖率对于催化剂表面反应动力学的影响。是对于表面反应动力学研究方法的重要贡献。

    覆盖率对于表面反应的影响历来是一个研究热点，因为覆盖率影响反应的各个阶段的势能面，所以它的复杂性一直困扰多相催化领域。吴超提出并发展了一套基于第一原理的基反应位方法能够有效地解决上述问题。该方法综合使用了密度泛函理论，簇展开方法，巨正则系综蒙特卡罗方法和基于统计力学的分析方法。依据该方法，研究者可以避免在设定平均场作用时走入以前的误区。这一方法已经在多次国际会议和校际学术交流中进行了报告，总结成的论文在本方向的权威杂志《催化学报》上发表。吴超在西安交通大学的主要研究方向之一就是计划将这种方法拓展并应用于设计新型双金属催化剂系统。

    除此之外，吴超还探索用理论方法指导可持续的化学化工研究，即用密度泛函理论设计基于含氮/磷杂环化合物的可循环使用的温室气体吸收材料，并指导相应的实验研究。

    围绕该方面的项目是环境友好化学的跨学科合作研究。吴超研究组在对于含氮/磷杂环离子液体与二氧化碳、二氧化硫反应机理的深入理解基础上，采用定量构效关系方法，对于可能的化学修饰进行了系统的研究，提出了可能的高效吸附剂候选分子。实验组正在合成并且测试实际吸附效果与稳定性。同时采用化工工程的吸附模型与动力学方法对于吸收过程进行了模拟，理论上给出最优的可能结果，从而给实验以有力的指导。

    在创新技术上，吴超有着更远大的梦想，“让中国的材料物理化学科学在世界范围内占有一席之地，将来走向产业化，在标准制定中为中国争取最大的话语权。”谈及此处，吴超眼神里满是憧憬。