1. 理论与计算方向有哪些更具体分支?理论与计算化学方向的研究生具体做些什么?
目前计算化学方向主要有两大分支。一类是计算算法和软件开发,另一类则是利用现有的算法和软件进行应用研究。
算法和软件开发对于研究者的综合能力也要求比较高,需要有较好的数学、物理以及计算机程序设计基础。因此这个方向比较适合数学和物理出身的学生或者数理基础比较扎实的化学学生。选择此方向的研究生需要①深入学习相关的数学物理知识;②进行一定量的数学物理推导(算法开发)或者对已有算法进行程序化实现(软件开发);③利用发展的算法或者软件进行测试和计算。
应用研究则要求研究这能够熟练掌握相关软件的操作方法并且对所研究的领域(化学、生物和材料等)非常熟悉,可以很好地利用计算结果解释和研究该领域的实际问题。此方向的研究生需要①对计算化学的基础理论(量子化学和统计力学等)有一定的了解;②学习使用现有的计算软件(比如Gaussian、VASP和Amber等)对于实际的体系和过程进行计算模拟;③根据计算结果分析、总结,解释和预测实验结果。应用研究方向一般更适合化学专业出身的学生。
2. 理论与计算方向是学会使用计算软件就可以了,有没有必要学习计算机编程?
无论是算法开发还是应用研究,都需要熟练掌握一定的计算软件。对于前者而言,熟练掌握至少一门程序设计语言(C语言、Fortran或者Python等脚本语言)是必不可少的。而对于应用研究方向而言,计算机程序设计原则上并不是必要的。但是能够比较熟练的使用计算机编程(包括人工智能算法),是绝对有利于更高效地完成研究工作,同时也有助于毕业后的就业。因此,虽然对于应用研究而并不是必要的,但仍强烈推荐对理论计算方向感兴趣的研究生学习至少一门编程语言。
3. 理论与计算的基础课学习是否很艰难?数学物理基础不好能学好计算化学吗?
理论计算化学必须要学习的基础课程包括《量子化学》和《计算化学》两门课程。
《量子化学》讲授的主要是当前各种(电子结构)计算方法的物理原理和基础。由于化学本科专业的学生并没有系统性的学习过《量子力学》,因此一开始感觉会比较困难。鉴于此,我们交大理论计算化学团队的导师会针对学生的具体情况,为学生单独授课,弥补数学和物理基础上的缺失。
《计算化学》课程主要是讲授常用的计算算法的原理以及软件的使用,通过理论原理讲授与实机相结合的方式尽快让学生掌握计算方法的原理和常用计算软件的使用。
除上述两门必修课程之外,根据学生的研究体系和所使用的算法,可以有选择地学习《分子动力学》、《统计力学与动力学》、《分子模拟》、《固体物理》 、《高等物理化学》、《高等量子力学》等课程,使学生可以更深入的扩展和提高自身的理论水平和计算能力。
理论与计算化学目前涉及到的数学知识主要是《高等数学》、《线性代数》和《概率论与熟练统计》。上述三门本科基础课程的数学知识对于研究生阶段理论与计算化学的研究工作而言已经完全足够了,除做算法开发方向外,做应用研究方向对于数学基础的要求并不是特别高(能看懂数学推导过程即可)。
4. 理论与计算方向的研究生就业如何?
理论与计算化学作为化学专业的一个分支,研究生毕业后的结业方向与化学其它方向类似。
① 学术界:博士起步,一般有海外经历(博士后或者教职)或者高水平论文者优先。招聘的专业方向及数量根据学校的实际需要而定。虽然目前国内大型的理论与计算化学团队并不多,但目前学术界实验与理论计算相结合的需求比较旺盛,因此各大高校对于理论与计算方向研究人员都会有一定的需求。总体的需求并不少。并且随着计算机计算以及理论计算化学在化学界地位的提升,将来的需求会更多。
② 工业界:由于目前理论与计算化学尚不十分成熟,因此在工业应用方面的应用相对而言要少一些。但目前在药物筛选、材料设计等方面仍然具有难以替代的作用。与这些方面有关的企业会需要一部分理论与计算化学方面(应用研究方向)的人才。此外,对于做算法和软件开发方向的研究生,如果数学基础和计算机水平较高,也可以转入金融、互联网(CS)等领域从事技术和研发工作。
③ 机关与事业单位:包括机关(公务员)与事业单位(环保、检疫及教师等)。报考此类单位,本方向的毕业生与其他方向的毕业生并未区别,在计算机及软件使用方面可能更有优势一些。
5. 理论与计算化学方向相比于化学专业其他方向有什么优点和缺点?
优点:①无重复性劳动:理论与计算化学最主要的研究工具就是计算机以及你的大脑。本方向不需要做大量重复性的实验操作,而只需要集中精力思考和解决关键的计算和科学问题,属于智力密集型而不是劳动力密集型专业。
②限制少:从研究的体系来说,原则上可以模拟和计算任何化学体系 (包括实验尚未发现或者极不稳定的体系)和过程,除体系的尺寸(体系越大计算量越大)外,几乎无限制。此外,理论计算的物质成本相对而言更低(原则上拥有一台个人电脑就可以进行简单计算,不需要动不动几十上百万的仪器)。
③自由和安全:由于研究工作绝大多数都是在计算机上完成,计算任务可以通过网络远程提交到计算服务器来完成。因此对于研究人员而言,人身比较自由,原则上有一台笔记本电脑能够上网的地方(办公室、自家或者酒店)都可以随时进行研究工作。同时,这也是整个化学专业最安全的方向。
缺点:①上手易精通难:理论与计算方向如果只是学习软件的使用则上手的门槛非常低,但是要想达到熟练甚至精通的水平,且将来相从事这个方向的研究和工作,则需要补充和学大量的数学物理基础和算法原理。对于数学和物理水平的要求比较高,同时脑力的耗费也比较多。
②发表顶刊难度高:由于目前计算化学尚不够成熟,纯理论计算的论文发表顶级期刊的要比纯实验研究更难一些。同时,计算类的学术期刊的影响因子(IF)普遍偏低,在目前的评价体系下比较吃亏。