本文刊载于《科学观察》2012年第7卷第6期P38—P42。如果您喜欢，欢迎订购我刊。@版权所有中国科学院文献情报中心《科学观察》编辑部。未经许可，不得转载。

鉴于密度泛函方法是目前最重要的基于第一性原理的理论方法，随着更精确的密度泛函的开发和更高效的计算方法和程序的推出，该理论方法必将在化学、物理、生物、材料(纳米)等学科以及生命、药物、能源与环境等领域的研究工作中发挥更大的作用。

从微观的角度研究人类赖以生存的物质世界，其中的物理、化学性质是一个非常复杂的问题。在非相对论框架下，尽管Schrödinger方程给了我们处理这些问题的最基本的方程式，但由于多电子体系状态波函数依赖于4N个变量(N为电子数，每个电子包含三个空间变量和一个自旋变量)，其复杂性随体系电子数增加而呈幂级数迅速增加。相比之下，任何体系电子密度(r)仅依赖于三维空间变量，无论在概念上还是实际应用上都更加便于处理。所谓的泛函是指函数的函数，那么密度泛函就是以密度函数构成的函数。密度泛函之所以成为理论，其基础在于Hohenberg- Kohn定理严格证明了体系的基态密度和体系的能量之间有一一对应的关系，并可以通过以许可的密度函数为搜索变量，使体系的能量泛函极小化以寻找体系的基态密度并由此得到体系的基态能量及其他性质。遗憾的是，能量泛函的精确形式迄今未知。因此寻找越来越精确的近似泛函是密度泛函理论研究最基本的问题。

密度泛函理论领域的研究大体可以分为三个大类：(1)理论体系的发展；(2)数值计算方法的发展；(3)密度泛函的应用。理论体系的发展主要包括新泛函的开发，特别是在弱相互作用体系的描述、强关联的描述，以及如何有效准确地将基态密度泛函理论拓展到激发态性质的描述和相对论效应的描述上等；数值计算方法的发展主要是如何能逼近线性标度，开发出适用于复杂大体系的有效计算方法；而在应用方面，密度泛函已在各种化学反应(包括气相、液相、多相催化及酶催化等)以及各类材料性质上(包括光、电、磁等)都得到了广泛的应用。中国在上述三类研究中，都有一些达到国际领先水平的重要成果。

总体来看，近10年来，随着我国国力不断增强和科技投入的大幅度增加，以及实验领域的研究越来越注重与理论计算的结合，我国在密度泛函理论领域的研究得到了蓬勃发展。2001-2010年间我国密度泛函理论领域相关研究发表SCI论文8 398篇，仅次于美国。虽和美国的13 959篇相比，仍有一定差距，但已在总量上明显超过德国(5 892 篇)、法国(3 330篇)和英国(3 004篇)以及日本(3 646篇)等科技强国。尤其是在近5年(2006-2010年)，我国在密度泛函领域的论文数量达到了前一个5年的3倍左右，全球占有率已提高到19.03%。中国在国际上的总体影响力也不断提升。其中近5年(2006-2010年)SCI引文数量达到了35163次，是前一个5年(2001-2005年)的1.30倍，在国际上的排名由前一个5年的第6位上升到目前的第3位，仅次于美国和德国。从SCI高被引论文的数量上看，近5年(2006-2010年) 我国已从较低水平上升至第3位，达到了169篇，是上一个5年(2001-2005年)的5倍，仅次于美国(713篇)和德国(259 篇)。

但是我们必须注意到，国内密度泛函理论领域的研究主要集中在常规应用上，而对密度泛函理论体系的发展和数值计算方法的研究涉及相对较少。发表论文质量的平均水平不高。例如，美国近5年(2006-2010年)的相关论文发表总数是我国的1.66倍，但是相应的论文引用总数是我国的3倍。此外，德国近5年(2006-2010年)的相关论文发表总数仅为我国的7/10，但是相应的论文引用总数却是我国的1.22倍。这说明中国以相对较多的论文获得了相对较少的引文量。引文量的提升滞后于论文发表总量的提升，说明有一定的盲目追求论文数量而忽视质量的趋势。特别应注意将密度泛函的应用研究进一步深化和系统化，避免片面追求“短、平、快”的发展模式。

国际上，近5年来科技发达国家与密度泛函相关的高被引论文通常占本国(地区)该领域论文总数的10% 左右(如美国14.08%、德国12.40%、英国11.81%、法国7.83%)，但我国的相应比例严重偏低，仅为3.23%，说明中国在密度泛函理论研究领域还需要大力支持强势机构和团队，更加注重理论方法本身的创新，以发表更多的高被引论文，进一步提升其影响力。鉴于密度泛函方法是目前最重要的基于第一性原理的理论方法，随着更精确的密度泛函的开发和更高效的计算方法和程序的推出，该理论方法必将在化学、物理、生物、材料(纳米)等学科以及生命、药物、能源与环境等领域的研究工作中发挥更大的作用。所以有必要进一步发挥已有优势，大力支持强势机构和团队。

由于实验领域的研究越来越注重与理论计算的结合，密度泛函理论以其较低的计算量可以达到甚至好过传统后自洽场波函数方法的精度。同时，随着各种商业化或开源的计算程序的逐步成熟，密度泛函理论的应用已经不再局限于少数理论研究小组。许多实验研究小组或机构长期开展与理论计算小组的合作，并进一步发展到招聘理论计算的专门人才加盟其研究小组，以帮助解释实验现象，总结规律，进而在可能的情况下指导和设计新的实验。因此，密度泛函理论在国内外的应用相当广泛。统计数据表明，发表相关论文总量排在前10位的国际各大研究机构的论文数量相差不是很大。可喜的是我国吉林大学、山东大学、四川大学和南京大学都跻身世界前10位，分别排在第2、4、5和9位，所以我国在密度泛函研究领域已有相当规模，但是我们也应注意到目前国内的研究主要集中在常规应用上，所发表的论文质量还需进一步提高，以增强与国际同行的竞争能力。

尽管我国部分研究机构在论文发表的数量上位居前列，但总体的国际影响力仍然有限。近5年(2006-2010年)SCI引文数量以及高被引论文数量排名前10位的均为欧美国家的学术机构，没有一所中国的研究机构。值得注意的是，美国明尼苏达大学与加州大学伯克利分校在SCI引文数量分别占据了世界前两位，虽然论文发表总数在世界第10名及前10名以外。以美国明尼苏达大学为例，近年来该校大力开发新泛函，迄今已发展了数十种新泛函，其中最近发展的M06系列泛函已引起了广泛关注。当然，理想的泛函发展应更加注重尽可能少地引入拟合参数、并尽可能多地满足严格的物理和数学条件，以使泛函更精确和普适。(www.daowen.com)

由于密度泛函的应用相当广泛，我国发表相关论文数量排在前10位的各大研究机构的论文数量相差不大。这些研究机构主要集中在传统的“985”重点高校以及中国科学院大连化学物理所和中国科学院化学所。吉林大学凭借理论计算化学重点实验室的优势，在近5年(2006-2010年)SCI论文发表数量以及引文数量上都位居国内第一。此外，近5年SCI论文发表数量排在2～5位的分别为山东大学、四川大学、南京大学和中国科学技术大学；SCI引文数量排名前2～5位的分别为中国科学技术大学、山东大学、南京大学和清华大学。另外，北京大学、厦门大学及复旦大学等也都是国内密度泛函理论领域的研究重镇，并都取得了可喜的成绩。

由于密度泛函方法的计算量比高等级从头算方法小得多，可以用来计算大的复杂体系，结果精度可以满足很多研究工作的要求，因此其应用面很广。在应用方面，我国在光化学、多相催化及酶催化、团簇及各类纳米材料的光电磁性质、隧道扫描电子显微镜图像模拟、稀土体系相对论效应等方面都有突出工作，这些优势还可以进一步强化。

在程序开发方面，目前国际上使用最广的计算程序，对于分子体系而言是Gaussian系列，而对固体(周期性)体系而言是VASP。我国已有一些具有自主知识产权的基于密度泛函理论的计算方法和程序开发方面的杰出工作，如我国科研人员开发的侧重于线性标度方法及其在固体体系中应用的ONPAS程序，以及侧重于相对论效应计算及其在分子体系中应用的BDF程序等。

在泛函发展方面，近年来xPBE，X3LYP，X1，XYG3和XYGJ-OS等一系列由我国科研人员为主或自主发展的新泛函方法及常用泛函误差校正方法的推出，填补了我国在泛函开发研究领域的空白。其中X3LYP方法入选德国《化学通讯》理论化学进展年鉴，单篇引用目前已超过300次。X3LYP和XYG3等方法已分别在如Gaussian03/09， Q-Chem、Jaguar、ADF、Crystal 03以及NWChem、Gamess、MondoSCF、CPMD等国际通用软件中实现程序化，供国内外同行使用。对于主族化学，XYG3的计算精度可以全面超过目前国际上最常用的B3LYP和PBE等泛函，在弱相互作用、化学反应能垒的描述等方面，都可以取得与高等级从头算相媲美的精度，因而有望在生物、药物以及自组装等方面有更好的应用，极大地拓宽了现有密度泛函的研究领域，这也标志着我国在密度泛函理论方法研究的部分成果已开始步入国际先进行列。

密度泛函理论是基于第一性原理的处理复杂体系电子结构的最有力的工具，其发展和应用前景广阔。根据该领域的发展趋势，未来我国的密度泛函研究应在以下三个方面努力：

(1)以解释实验、总结规律、抽提新概念为目标，针对某些有重大科学意义、国家需求和重大应用背景的热点问题(如涉及能源、环境等的多相、均相及酶催化反应过程)，进行深入系统的密度泛函方法的应用研究。

(2)发展新密度泛函，以同时合理地描述强相互作用和弱相互作用、同时合理描述反应过渡态和反应焓变、同时描述主族和过渡金属化学、同时合理描述小分子和大块固体及其相互作用等。

(3)重视密度泛函新理论体系和新数值计算方法的发展，并以此进一步拓宽密度泛函的新应用领域(如激发态、动力学、相对论效应以及与光、电和磁的相互作用等)，以达到理论、方法和应用相互促进、共同发展的目标。