方维海（物理化学与计算光化学）中国科学院院士｜我国理论与计算光化学的开拓者与非绝热动力学研究领军科学家#

1. 研究方向#

方维海院士长期致力于激发态电子结构理论、光化学、光生物和材料光响应过程的理论分析与计算模拟研究。其科研聚焦于两大核心科学问题：一是复杂体系在光照激发下的多电子非绝热动力学行为，旨在攻克核与电子强耦合作用下能量转换与状态跃迁的模拟瓶颈；二是建立高精度的激发态动力学算法，通过“计算制谱与模拟反应”的理性路线，解析从溶液到生物大分子蛋白质中复杂的非辐射跃迁（如内部转变、系间窜跃 $\text{ISC}$）分子级本质，指导高效新型光电功能材料的设计开发。

2. 标志性成果#

• 势能面极小能量交叉（MECP）结构优化理论与“三面交叉”拓扑特征的提出：

  • 在分子受光激发产生的非绝热化学反应研究中，不同电子自旋态之间的交叉点是决定反应路径和产物选择性的关键。然而，由于这些交叉区域在数学上呈现多维非连续边界，其几何结构的定量优化一直是理论化学界的经典难题。

  • 针对此瓶颈，方维海院士建立并改进了势能面极小能量交叉结构（$\text{MECP}$）优化方法，在国际上率先将其成功应用于复杂分子的非绝热系间窜跃（$\text{ISC}$）过程研究。

  • 在系统探究芳香族羰基化合物光异构和光解离反应时，他的团队首次优化得到了 $S_1$、$T_2$ 和 $T_1$ 三个电子自旋态的势能面极小能量交叉结构，发现了“三面交叉”结构是芳香族羰基化合物独特光物理与光化学性质的本征决定因素，并证明该结构具有普遍的拓扑结构特征。相关成果被国际权威光化学系列专著和物理化学教材收录。

• 混合量子-经典（MQC）非绝热动力学模拟方法的构建与应用：

  • 对于大型生物多肽和复杂功能材料的光响应过程，受计算资源限制，传统的全量子力学模拟难以展开。

  • 方维海团队发展和改进了直接从头算（$\textit{Direct ab initio}$）以及基于量子力学/分子力学（$\text{QM/MM}$）双重框架下的混合量子-经典（$\text{MQC}$）非绝热动力学方法。

  • 他深入推导并改进了旋-轨耦合（$\text{SOC}$）矩阵元的精密计算算法，将其与面间跳跃等动力学方案深度融合。该体系成功解析了偶氮苯类光控开关分子（如 $\text{Arylazopyrazole}$）驱动多肽折叠等一系列微纳尺度下光异构过程的非绝热本征动力学过程，显著推动了国内在生物光物理与非绝热光动力学领域的计算能力。

• 羰基化合物选键光解离新规则的建立：

  • 在光化学反应理论中，定量描述光解离发生的选键规律是化学反应动力学的基石。

  • 方维海院士团队通过对脂肪族和芳香族羰基化合物光解离机理的系统性电子结构计算，阐明了激发态分子中能量的弛豫与分配机制，并在此基础上提出了不对称取代脂肪族羰基化合物“选键光解离”的新规则。该规则打破了传统的唯象推论，发现了暗态（$\textit{dark states}$）与多面交叉结构在分子光物理过程中的决定性作用，为精细光化学合成反应的设计提供了精确的理论判据。

3. 学术地位与影响#

方维海院士是国际理论光化学与非绝热化学动力学领域的泰斗级学者，也是推动我国计算化学和激发态理论研究走向国际前沿的战略科学家。他提出的 $\text{MECP}$ 算法与动力学模拟方法学已被全球同行列为研究光致激发态变化的经典理论工具。方维海曾两度受聘为国家重点基础研究发展计划（$973$ 计划）首席科学家，并在 $2020$ 年被亚太地区理论与计算化学家协会（$\text{APATCC}$）授予分子理论与计算化学领域的国际最高资助科学家荣誉——“福井谦一奖章”（$\text{Fukui Medal}$）。他带领北师大“理论和计算光化学教师团队”于 $2023$ 年入选第三批“全国高校黄大年式教师团队”，为我国培养了大批活跃于理论物理化学和新型光电材料研发一线的杰出青年骨干。

1. 教育背景#

• $1978$ 年 $02$ 月－$1982$ 年 $01$ 月：阜阳师范学院（现阜阳师范大学）化学系，获理学学士学位。

• $1990$ 年 $09$ 月－$1993$ 年 $06$ 月：北京师范大学化学系，物理化学专业学习，获理学博士学位（导师：中国计算化学先驱、中国科学院院士刘若庄教授）。

• $1993$ 年 $09$ 月－$1995$ 年 $09$ 月：南京大学配位化学国家重点实验室/化学化工学院，开展博士后研究工作（合作导师：中国科学院院士游效曾教授等）。

• $1996$ 年 $05$ 月－$1998$ 年 $08$ 月：德国波恩大学（University of Bonn）理论化学所，作为“洪堡学者”开展博士后/访问合作研究。

2. 工作履历#

• $1998$ 年 $08$ 月至今：北京师范大学化学学院，教授、博士生导师（其间：$2005$ 年－$2018$ 年担任北京师范大学化学学院院长）。

• $1995$ 年 $09$ 月－$1996$ 年 $04$ 月：北京师范大学化学系，副教授。

• $1982$ 年 $02$ 月－$1990$ 年 $08$ 月：安徽省阜阳师范学院化学系，助教、讲师（毕业后长期任教，主要负责物理化学教学工作）。

1. 国际荣誉与学术勋章#

• 亚太地区理论与计算化学家协会（$\text{APATCC}$）“福井谦一奖章”（$\text{Fukui Medal}$）（$2020$ 年度，表彰其在光化学过程理论分析、激发态电子结构及非绝热动力学模拟领域的杰出科学贡献）；

• 亚太理论和计算化学家联合会会士。

2. 国家级与省部级重磅奖项#

• 国家杰出青年科学基金获得者；

• 教育部自然科学奖一等奖（先后两次荣获，作为项目第一完成人）；

• 北京市高等教育教学成果奖一等奖（$2017$ 年，获奖项目：“化学专业博士学位课程改革与实践”）。

3. 国家及行业重磅学术称号#

• “全国高校黄大年式教师团队”负责人（$2023$ 年，领衔北京师范大学理论和计算光化学教师团队）；

• 国家重点基础研究发展计划（$973$ 计划）项目首席科学家（先后两次受聘）。

1. 重要学术平台及期刊任职#

• 理论及计算光化学教育部重点实验室 主任；

• 《$\text{The Journal of Physical Chemistry}$》（$\textit{J. Phys. Chem.}$） 国际编委 / 顾问编委；

• 《$\text{International Journal of Quantum Chemistry}$》（$\textit{Int. J. Quant. Chem.}$） 国际编委。

2. 重要社会与学术兼职#

• 北京市化学会（北京化学会） 理事长 / 会长；

• 中国化学会 常务理事；

• 亚太理论和计算化学家联合会 理事；

• 国家自然科学基金委员会、教育部科技奖 评审委员会专家。