金井优介（Yosuke Kanai）是美国北卡罗来纳大学教堂山分校的化学教授，从事理论和计算化学方面的研究，专注于开发量子力学计算方法并使用它们研究复杂化学系统的动力学行为。他在模拟量子力学过程方面的工作涵盖了从太阳能转换到质子束治疗癌症的广泛主题。他研究的首要主题是发展对电子和原子相互作用产生的电子激发和动力学现象——尤其是在凝聚相和其他扩展系统中——的预测性理解。他特别希望通过开发和应用基于第一性原理电子结构理论的计算方法来获得分子层面上的理解。金井优介在普林斯顿大学获得了理论化学博士学位。2022年4月，他接受了《美国科学家》（American Scientist）主编费内拉 · 桑德斯（Fenella Saunders）的专访。

量子化学如何与量子力学和理论化学联系起来？

20世纪初，理论化学概念出现。理论化学的基本思路是，我们可以通过数学和物理学方法了解分子在不同条件下的行为，而无需开展实验。理论化学包含几个不同的子领域，其中就有量子化学。量子化学可以归结为“利用量子力学的基础物理学来理解分子在不同情况下的行为”。如果深入到原子或分子的尺度，你就要与电子和原子核打交道了。电子的行为不像经典粒子那般，而是遵循量子力学。此外，原子核的某些部分，例如质子，也小到了需用量子力学来处理。量子力学在20世纪20年代发展得相当成熟，彼时许多科学家意识到，他们其实能利用量子力学定律来了解电子和原子核的行为方式。虽然理论学说早已形成，但电子计算机的出现才使科学家可能利用量子力学研究分子。应用之路始于20世纪50年代，而随着过去70年间计算机技术进步，我们已看到量子化学领域越发有趣的发展和进步。

量子化学更关注粒子之间的相互作用，而量子物理则聚焦于基本粒子的行为，是这样吗？

量子力学是一个非常广阔的领域。一方面，很多高能物理学家应用量子力学来认知亚原子粒子——我们用以理解宇宙整体结构的基本要素。另一方面，当你进入电子和分子的超微小的尺度，就需要使用量子力学来理解电子和原子核如何运动。

技术进步如何影响这个领域？

这始于20世纪50年代早期电子计算机的发展。20世纪90年代，人们开始更多地使用个人电脑。一方面，这毫无疑问激发了大家去探索量子化学等领域，因为他们能在自己的计算机上进行量子化学计算。再往后，超级计算机点燃了更多人的激情，计算技术的不断进步正推动量子化学的前沿发展。另一方面，实验化学并未停下进步。在过去50年左右的时间里，从事实验工作的研究者开始使用粒子加速器和光束线之类的东西来进行光谱实验。如果你在实验方面取得很大进展，就会有更多令人兴奋的成果随之而来——这能激励像我这样的人去了解实验化学中发生的事情。在某种意义上，实验派和理论派携手并进。

是否有可能在粒子尺度上生成精确模型？

非常困难，因为这要求的尺度太小了。我们知道如何妙用经典物理学。你只要愿意模拟我扔出一个球时的力学情景，就肯定能算出那个球落至何处。但当你进入一个很微小的尺度，控制行为的就不再是牛顿力学，而是量子力学。因此，要理解和预测如此微小的分子尺度上的事是极为复杂的。我们无法获得确切的解决方案。不过由于计算技术的进步，我们能非常精准地确定某些特性，例如预测反应能量。其他一些特性，如光激发能，更难以准确预测。对于有机分子，我们能够高质量地模拟出它们的光学激发特性，如跃迁能量。但是对于其他某些类型，例如含有重元素的过渡金属分子，我们就很难可靠模拟其光学特性。部分原因在于相对论效应。因此可以这么说，某些分子、某些特性好模拟，也能模拟好，而另一些分子和特性则不然。

您为什么致力于表征高能质子束？

这种物理现象在癌症治疗中很重要，对于太空任务也相当关键。如果你离开地球大气层，来到银河系，便可与这些由高能离子组成的宇宙射线邂逅。如果你是一名宇航员且不受保护，它们就将击中甚至伤害你。太空任务的一大问题是必须保护电子设备免受宇宙射线影响，因为高能离子能穿过电子设备并引起电子激发，使设备发生故障。鉴于此，了解高能离子行为非常重要。

模拟能如何深入了解这些高能光束的行为？

要人工产生这些高能质子，我们得用上回旋加速器，它能通过磁场将质子加速成带电粒子。有了高能质子，你可以开展一些极有意义的实验，例如测量电子阻止本领，它本质上就是能量从这些高能质子转移到目标物质（如DNA）中的电子的速率。但实验者难以弄清楚的是这种能量是由何处转移至DNA的。只要看过DNA的结构，就能意识到它是非常复杂的大分子。我们所做的量子力学模拟可以显示能量去向。例如，我们最近的工作表明，大量能量会转移到DNA的侧链，而非DNA碱基对。对于癌症质子治疗，这个信息很重要。因为你如果能诱导癌细胞的DNA侧链损伤，就很可能最终导致细胞死亡，即在癌细胞中诱导细胞死亡，因为DNA侧链损伤难以被蛋白质修复。这个例子是量子力学模拟可提供的洞见，它可能很难从实验中获得，因为其中的能量转移发生于飞秒的尺度上。我们可以在模拟中获得阿秒级的分辨率，以了解能量是如何传输的。

为什么DNA侧链是这种能量转移的目标？

DNA的所有侧链（尤其当它处于生理条件下，例如在水中时）都缺少质子。这意味着侧链暴露出电子，或许就是造成这种高度能量转移的原因。我们还研究了真空环境下的DNA本身——它们是质子化的，其侧链并不暴露电子。只有处于水中时，暴露电子的情况才会出现。我们意识到这对于从高能质子处吸收能量很关键。然而，从实验角度看，研究生理条件下DNA对质子束的响应非常困难。即使模拟水中的DNA，你也需要处理超过10 000个电子。

您认为这些模拟是否有助于找到一种更有效的靶向癌症DNA的方法？

你如果真想改进离子束疗法，就需要了解它的工作原理。我们正做着基础科学研究，旨在从分子层面提供对其实际工作原理的理解。关于离子束，许多人探讨换掉质子的可能性，例如使用碳离子之类的。其中的基本原理是，碳离子带更多电荷，你如果用它，就能将更多能量储存到癌细胞的DNA中。这挺合理的。质子只带一个正电荷，而碳原子失去所有电子后就带六个正电荷。那么这种替换除了让电荷数乘六，还会带来什么改变吗？我们的模拟计算可就此问题提供见解。现在我们针对质子以外的离子进行了原始模拟，以预测当使用α粒子和碳离子等时，能量转移行为如何变化。

如果就简单想想，既然换了碳原子，有了更多电荷，那自然可以有更大能量转移。但这样的推导太简单，太理想化了。你如果像我们这样做模拟计算，就可了解这些粒子的电离程度。碳离子从来不是简单的碳原子带六个正电荷，质子也不完全等于一个正电荷。这些量子力学模拟可以深入了解离子的电荷状态。

为什么我们要钻研基础科学？其重要性是什么？

我们研究与日常生活相关的部分，例如癌症治疗，更容易被大众理解和欣赏。但模拟计算工作，以及模拟前的大量基础工作，是枯燥繁重、无人理解的。我们花费很多时间开发计算机模拟方法，然后投入计算，最终才得到对于癌症治疗有意义的重要见解。开发模拟方法涉及大量的数学和编程工作。我们拥有一台超级计算机，但这并不够，还必须开发计算方法。我们得先不遗余力地编程、求解方程、做数学推导，这些全齐活了，再执行模拟。大众不关注这些内容，但是它们非常重要。

这些计算推导是如何创建的？

为了开展模拟，我们必须创建一个计算机程序，这项工作很有难度。一方面，你得熟知量子力学的原理；另一方面，你要把量子力学方程编作程序。超级计算机有许多并行工作的处理器，像我们这样的计算科学家必须对这些方程进行编程，以便我们编写的计算机程序可同时利用全部处理器。如果你想做这类工作，你不仅要懂数学、物理和化学，还必须学习计算机科学和编程方面的知识。我从事的是量子化学研究，但如果你仔细观察研究中发生的事情，你会看到数学、物理、化学和计算机科学。这是个相当跨学科的领域。

资料来源 American Scientist