這個實驗室《自然》《科學》論文成堆，原來幕后有幫手

　　科學研究正在經歷一場風暴。風暴源于狂飆突進的人工智能技術。“擁抱”還是“逃離”，成為擺在每位科研工作者面前的選擇題。

　　在中國科學技術大學（以下簡稱中國科大），一群喝著網紅咖啡、野心十足的年輕人選擇了“擁抱”。他們集中在最傳統、最古老的學科——化學領域，從一個個不起眼的念頭出發，打破研究的慣例，頻頻登上《自然》《科學》等國際一流期刊。他們要在科研范式的變革中，成為風暴的駕馭者。

　　最初的念頭：“有沒有可能讓計算機幫幫忙？”

　　如果當初沒有選擇與計算機“聯手”，中國科大教授姚宏斌團隊最新發在《自然》雜志上的論文，或許還只是份實驗報告。

　　4月初，姚宏斌團隊的論文在《自然》雜志上引起轟動，他們關于固態電解質新家族的研究，被認為有望實現電化學儲能領域“圣杯”級的全固態鋰金屬電池。

　　這項研究關乎固態電解質。姚宏斌等人試圖尋找一種金屬鹵化物，以提升固態鋰電池的效能。

　　在尋找鹵化物電解質的過程中，他們曾考慮將石榴石氧化物——鋰鑭鋯氧中的“氧”換成“氯”。怎么才能合成出這種化合物？不知道。

　　如果按照傳統的化學研究方法，科研人員得窩在實驗室里一點點試錯。什么時候能試對？也不知道。

　　姚宏斌想：“有沒有可能讓計算機幫幫忙？”

　　由于團隊里沒有能玩轉計算機的人，姚宏斌只能從搜羅人才開始。2021年，在研究生復試中，姚宏斌“相中”了一位從湘潭大學材料科學與工程學院畢業的本科生——羅錦達，因為羅錦達在簡歷上展示出自己在計算機編程上的基礎和興趣。

　　錄取名單確定的當晚，姚宏斌撥通了羅錦達的電話：“我們有個材料體系很重要，需要用計算化學的方法，你愿不愿意加入我們課題組？我自己雖然沒有計算基礎，但是我會給你聯系老師，讓他教你。”

　　姚宏斌之所以如此主動，是因為這項已經做了4年的研究已經開始面臨著經費困境，不能再拖。

　　“搶”到羅錦達后，姚宏斌很快又找了計算化學的“大牛”——中國科大講席教授李震宇，并把羅錦達“塞”給了他。

　　在姚宏斌和李震宇的共同指導下，羅錦達寫出了可以滿足研究需要的程序。之后，姚宏斌團隊和李震宇團隊聯合，根據計算機模擬結果設計出一個常溫條件下可以穩定存在的鑭系金屬氯化物。再往后，他們又跟隨計算機的指引，在實驗室里成功合成出具有優質性能的鑭系金屬氯化物固態電解質。

　　終于，樣品做出來了。可是，這依然只能是一份“還不錯的實驗報告”。樣品的內部結構如何？鋰離子在其中是怎么傳導的？這種固態電解質為什么具有優質的性能？還是不知道。

　　計算機的用處再次體現出來。基于分子動力學原理，團隊成員把自己的實驗數據和歷史上相關研究的海量實驗數據放進超算中心去“跑”，經過長時間計算模擬和分析，他們最終探明鑭系金屬鹵化物框架結構的鋰離子傳導原理。

　　“在這項研究中，模擬計算的分量大概占了三分之一。假設沒有這三分之一，研究將無法令人滿意，因為我們很可能沒辦法合成出最優的電解質材料，也沒辦法把實驗現象背后的原理解釋清楚。”姚宏斌說。

　　論文的匿名評審人認為：“作者提出了一個全新的固態電解質結構材料，計算模擬非常完善。”

　　初嘗模擬計算的“甜頭”后，姚宏斌茅塞頓開：“我們突然發現，還可以干點其他的事情。”

　　他們現在有了一個原先連想都不敢想的計劃：“把元素周期表里的很多元素按不同比例組合，或是去現有的海量數據中尋找符合我們期望的材料，把材料做得更多樣化。”

　　姚宏斌對學生進行理論指導。中國科大供圖

　　沖出傳統：把計算機訓練成“化學家”

　　如果說姚宏斌團隊只是讓計算機成為“幫手”以提高研究效率，那么，中國科大教授江俊的嘗試，可以說是真正地抱緊了人工智能。他帶著30多位“90后”、“95后”學生，把計算機訓練成了可以思考的“化學家”。

　　江俊本人并非化學科班出身，他最早學的是物理專業，之后慢慢轉向理論與計算化學，2011年底加入中國科大成為化學物理系教授。

　　從物理專業轉向化學專業之后的很長一段時間，江俊都有種不適應感：“物理領域追求共性規律，但化學追求個性特質，每個實驗室都希望做的跟別人不一樣，越不一樣越好。”

　　他給學生講課時經常發現，今天剛講完一個化學經驗規則，第二天就出現了例外，“某某實驗又打破了之前的理論極限”。

　　理論與實踐的脫節，讓江俊一度“很崩潰”。他開始嘗試尋找這個古老學科中可能存在的共性規律。到2014年，他看到了解決問題的可能：“用大數據和人工智能做。”

　　“化學之所以個性化、看不到規律，是因為它是一個高維度的復雜體系，任何一個微小條件的改變，都會引起整個體系的變化。人腦已經想不清楚了，或許我們可以通過數據智能的方式建立一個‘化學大腦’，為化學找到共性規律。”江俊說。

　　這件事不是他靠一己之力可以完成的。和當初姚宏斌的選擇一樣，他開始四處尋找志同道合者，他的團隊里，慢慢地有了人工智能、電子科學技術、數學等各個方向的學生……他們以數據為切入口，編寫智能程序、搭建數據庫、建立知識圖譜，讓計算機逐漸能夠讀文獻、做實驗。

　　最初，有人不屑地說：“不過是實現了自動化而已。”

　　但經過8年摸索，機器化學家從1.0版本升級到2.0版本，“化學大腦”能做的事也覆蓋了文獻閱讀、實驗設計、配方與條件優化等化學研究的整個鏈條。

　　機器化學家誕生后，江俊團隊的第一次嘗試，是讓它計算和預測蛋白質光譜，這篇論文被美國《科學》雜志編輯部重點推薦。“一般來說，計算一個蛋白質光譜，要做1000多個動力學構象，每個構象都要算一個星期以上。我們用機器學習的方式讓機器化學家去做，把原先要用的20多年縮短到一兩個小時。”江俊說。

　　之后，江俊團隊又讓升級后的機器化學家做高熵催化劑等化學品與材料創制。機器化學家從16000篇論文中，自主遴選出5種非貴金屬元素，又從55萬種可能的金屬配比中找出全局最優解，將傳統“試錯法”所需的1400年縮短為5周。國際同行評價認為，機器化學家的“網絡操作系統、工作站和智能化學大腦都是最先進的”，并預計它“將對化學科學產生巨大影響”。

　　這些都讓江俊覺得“當初的方向沒定錯”。及至2022年，“中國科學院年度團隊”和“年度網信工作十大進展”的名單里，都出現了“機器化學家”的名字。

　　未來，他們的目標是推動中科院沈陽自動化所、中科院深圳先進技術研究院、中科院計算所、中國科大等聯合組建智慧實驗室。同時，他們還要和中科院文獻情報中心、中科院自動化所、中科院信息工程所聯手，打造全球化的知識平臺，形成精準智能化學的全場景解決方案。

　　除此之外，江俊內心深處還隱藏著另一份與初衷相關的“野心”：他想通過機器化學家，理解乃至破解化學的高維依賴關系，并依靠強大的計算能力實現化學理論的創新和變革；他還想找出化學、物理、生物等學科的共通之處，讓機器化學家衍生出機器物理學家、機器生物學家……

　　如今，在中國科大東校區理化大樓的九層，一個100多平米的實驗室里，名叫“小來”和“小福”的兩位機器化學家，穿梭于不同的實驗臺和儀器之間。江俊感嘆：“未來，科學家的核心競爭力或許不再是做實驗的能力，而是更扎實的專業基礎，更強大的理解力，以及更天馬行空的想象力。”

　　江俊團隊。中國科大供圖

　　掀起風暴：駕馭科研范式變革的龍卷風

　　和年輕人們一樣，中國科大單分子科學團隊負責人、中國科大副校長楊金龍院士，看到了人工智能和大數據對化學學科造成的沖擊，也看到了不同專業的年輕人們“抱團”沖破科研傳統束縛的嘗試。

　　于是，2020年，在中國科大，“聯盟”之事被提上日程。經過23次會議討論，他們將中國科大現有的科研資源組織到一起，以建制化科研機構的形式集中力量探索化學研究的“第四范式”。

　　“范式變革”是科學界在意識到大數據和人工智能的沖擊之后，常常提到的名詞。它像一句警示，警告整個科學界，一場席卷學科世界觀、價值觀、方法論的風暴要來了。

　　在化學學科領域，150多年的發展歷史，被分成四個范式階段——

　　第一范式以實驗為基礎開展研究，通過實驗觀察和歸納總結來發現化學規律，代表性研究是拉瓦錫建立質量守恒定律。第二范式以理論為基礎開展研究，通過建立數學模型和理論框架來解釋化學現象，代表性研究是門捷列夫發現元素周期律。第三范式，以計算機仿真驅動研究，運用計算機和人工智能來模擬和預測化學過程和結果，代表性研究是量子化學計算、分子動力學模擬等。第四范式，以數據智能驅動研究，如基于機器學習開展物質性質預測等。

　　“150多年的摸索中，化學研究主要依賴于‘試錯法’，精準和高效是所有化學家的夢想。”李震宇說，每一次范式變革，計算機對化學領域的介入就更深一點，精準智能化學成為實現化學學科跨越式發展的契機。

　　今年1月18日，中國科學院精準智能化學重點實驗室（以下簡稱實驗室）在中國科大正式成立，李震宇擔任實驗室主任。

　　實驗室以中國科大化學學科為主體，發揮多學科交叉、“科教融合、院所協同”，以及合肥大科學裝置聚集的三大優勢，聚焦“如何改變化學研究范式”的問題，探索建立化學研究精準化、智能化雙驅動模式。

　　談及“第四范式”的意義時，李震宇用了一個比方：“騎著自行車，累死了也騎不上月球，第四范式就好比是我們要造火箭，去我們以前去不了的地方。”

　　“我們希望把這個實驗室建成一個精準智能化學領域國際頂尖的研究機構，形成一個新的精準自然化學的范式，建立我們國家主導的精準化學的數據體系和智能化學的軟硬件標準。”李震宇說。

　　目前，他們已經集納了姚宏斌、江俊等來自理論計算、精準表征、智能化學、精準合成、物性調控等方面的研究團隊，這些團隊除了都曾登上過《自然》《科學》等學術期刊之外，還有一個共同點——與精準智能化學相關。

　　中國科大教授徐銅文帶領的團隊，在離子膜領域研究了近30年，最近又在《自然》雜志上刊發了一項新成果。他們原先屬于中國科學院軟物質化學重點實驗室，新實驗室組建后，徐銅文的團隊加入進來。

　　“我們在材料物質的選擇和材料結構孔道調控設計方面，都依賴于精準化學相關的計算模擬方法。”徐銅文說，新實驗室為他們打開了交叉與合作的新窗口。

　　徐銅文與學生討論問題。中國科大供圖

　　對于實驗室主任李震宇來說，實驗室的前途是光明的，道路卻是“曲折”的。作為一個必須依賴學科交叉才能發展的實驗室，它必須克服的一個重要問題是“如何才能吸引到更多高水平合作團隊和頂尖人才”。

　　“范式變革”概念最早的提出者托馬斯·庫恩曾說：“起初，新的范式候選者可能只有少數支持者，有時這些支持者的動機也是可疑的。然而，如果他們真有能力，他們將會改進它，探索它所提供的可能性，并且表明：在它的指導下，共同體將有什么樣的前景。”

　　李震宇常常要在各種場合說服合作者加入和支持他們，不善言辭的他會用最簡單樸實的12個字，概括第四范式的前景和他們的態度：“擁抱化學精準智能化的未來”。

　　相關論文信息：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-023-05899-8

　　https://www.science.org/doi/10.1126/science.2020.370.6521.twil

　　https://doi.org/10.1093/nsr/nwac190