编者按：教育兴则国家兴，教育强则国家强。值此全国“科技三会”召开一周年之际，山东大学党委宣传部携手中国网，共同策划推出“聚青年学者创新之力，筑科技强国奋进之基”系列文章。文章聚焦山东青年科研工作者，讲述他们在基础学科“深扎根”，在交叉领域“拓疆土”，在新兴战场“勇闯关”的奋斗故事，展现山东大学为建设世界科技强国培育高素质创新人才、服务教育强国科技强国建设的生动实践。
四周灯光渐暗，舞台上的“魔术师”成为焦点：随着透明无色液体顺序加入，玻璃缸里的“气泡水”变成七色彩虹；液氮中冻住的气球变脆变硬；海藻变成橙色创可贴……变变变！精心设计的实验变成趣味表演，在台下欢呼的孩子眼中点燃一簇簇晶亮的火苗，好奇的种子自此埋进心里。
从酸碱反应到氧化还原，从物质相变到能量转换，魔术师亦真亦幻的精彩演绎下，抽象的化学原理在奇妙视觉中得到具体呈现。
好奇妙！怎么做到的？
“美妙的化学实验数据背后有一整套微观粒子的行为逻辑。我的工作就是借助推导、计算和模拟，在原子和电子层面解析物质的结构－性质关系，解释现有的实验现象，预测未知的化学行为。”山东大学化学与化工学院教授马海波笑着说，“这些化学反应的本质问题究竟是什么？我们试图从‘理论化学’的层面去揭秘答案，彻底玩转‘科学魔法’。”
从化学爱好者到化学科学创造者
在烧瓶中预先注入少量浓氨水，任其挥发与空气充分混合，接着在燃烧匙中放置三氧化二铬，催化作用下，仿佛夜空中绽放出绚丽“烟花”。
2001年暑假，马海波如愿加入中国科学院院士、国际数学化学科学院院士江元生课题组，开启了理论化学的学习和研究生涯。高中实验室里的瓶瓶罐罐、各种溶液、一个酒精灯、一根搅拌棒，连同魔术般的绚丽烟花，仍不时出现在他的梦里。
有人说，美到极致的化学现象是专属于理科生的浪漫。在马海波这个理科生看来，理科学习是链式反应。数学是火、物理是灯，而化学是路，通向元素符号、化学方程式、炼金术一样的实验、创造生成新物质，以及各种百思不得其解：为什么会发生反应？为什么这个条件不行，那个条件却可以？究竟是怎样的理论在支撑实验，仅靠理论推导能否预演出某个实验结果？
逻辑、推导、计算、规律、实验、应用……愈发强大的理科思维将一个化学爱好者变成数学、物理、化学成绩均在学校名列前茅的“学霸”。凭借突出的理科综合能力，1998年高考前，马海波顺利通过南京大学提前选拔考试，被保送至著名的“基础学科教学强化部”（现匡亚明学院）。作为国家首批“理科基础科学人才培养基地”，其独特的大理科教育模式和诸多大师课程，让马海波在本科阶段系统地接受了数学、物理、化学的交叉培养，构建起系统的知识体系，重塑学术认知。
《大学物理》展现的物理图像构建艺术，《量子力学与统计力学》演绎的数学严谨性，特别是江元生院士与刘春根教授联袂讲授的《结构化学》课程，革新了马海波对物质世界的理解——宏观化学现象的本质竟能通过量子力学的微观语言获得精确描述。
当分子轨道理论与价键理论精美诠释化学键的本质，当图论方法优雅求解共轭烯烃的前线轨道时，这些跨学科的理论范式让马海波确信：理论化学正是能够融合他数理化综合素养的学术沃土，更与他追求本质、崇尚逻辑的学术志趣深度契合。
“这一领域独特的双重属性尤其令我神往：既可通过第一性原理探究化学现象的量子本质，又能借助计算模拟实现分子性质的预测与设计，在基础理论与实际应用的交叉地带开辟出无限可能。这种智识上的双重吸引力，最终指引我确立了理论化学的研究方向。”马海波说。
求索真知承血脉，且用“薪火”炼青春
作为中国近代高等教育的起源性大学之一，山东大学也是中国理论化学研究的重要发源地。
上世纪五十年代起，在著名理论化学家邓从豪院士（曾任山东大学校长）的引领下，山东大学理论化学学科蓬勃发展，在配位场理论、超球坐标电子显相关方法、分子反应动力学等领域取得了一系列开创性突破，先后荣获国家自然科学奖一等奖、三等奖及多项省部级重要奖项，奠定了山大理论化学在国内外的重要学术地位。
马海波的研究生导师江元生院士与邓从豪院士师出同门。两位先生既是同窗挚友，又是学术知己，虽年齿相差十一载，却在长达半个多世纪的科研生涯中相互砥砺、携手并进，结下了亦师亦友的深厚情谊。应邓从豪院士和山东大学之邀，江元生院士长期担任兼职特聘教授，为山大理论化学的发展倾注心血。
邓从豪院士逝世后，为传承其学术精神，江元生院士个人捐资设立山大“理论化学奖学金”，以奖掖后进、培育栋梁。两位先生珠联璧合的学术成就、相得益彰的人格魅力、“学高为师，身正为范”的崇高品格，令马海波深深敬仰，犹如北斗星辰，指引着他在学术探索与人生道路上砥砺前行。
“跟从江元生院士求学期间，我有幸多次造访山大。古朴典雅的校园环境、求真务实的治学传统，以及师长们温润如玉的君子之风，令我难以忘怀。”随着山东大学青岛校区的落成启用，学校在2019年正式成立青岛理论与计算科学研究院，为理论化学研究搭建了更为广阔的发展平台。应研究院院长、国际著名理论化学家、国际量子分子科学院院士刘文剑教授之邀，马海波于2022年加入山东大学，开启了他传承血脉又永在当下的科研“黄金时代”。
扎根这片既承载着厚重历史积淀、又焕发着蓬勃创新活力的学术沃土，马海波每每站上讲台，眼前总会重叠着自己导师江元生院士的身影，他诚实、正直、不屈不挠的品格，勤奋、严谨，注重以言传身教来指导学生的治学精神深深地影响着自己。
“赓续薪火不仅为了传承学术，师者授业解惑的前提一定是热爱教育事业，这是老师教会我的。如今，我带着这份热爱投入到教学和科研工作中，与同仁们一道致力于将山大理论化学学科打造成为在国际理论化学领域具有重要影响力的研究重镇，汇聚全球顶尖学者与青年才俊的学术高地，以及推动理论化学创新发展的前沿阵地。”
创造、创新是科学永恒的主题
最新设计研发的药物如何用最短时间和最低成本完成实验周期？污染环境气体的最佳处理方案是什么？蛟龙号在深海探测时观测到大量硫化物烟囱，如何在深海的热液硫化物、生物与环境等因素共同作用下，精准快速解密这一海底矿藏新宠？
面对这些问题，理论化学以其深度融合量子力学、统计力学等基础物理理论的交叉性，和建立严谨数学物理模型和发展计算方法的创新性，从第一性原理出发揭示化学现象的本质规律，犹如一架精密的＂计算显微镜＂，成为连接微观量子世界与宏观化学现象的桥梁。
“与传统化学研究相比，理论化学专业更注重化学的艺术气息和数理的严密思维，在材料科学、生命科学、环境科学等领域的应用越来越广泛。”马海波表示，这对教学和科研同时提出了更高要求。
在他任教的量子化学和统计热力学课堂上，与计算和模拟相关的任务必不可少。以统计热力学为例，从微观到宏观，不光要靠口头讲，还要在计算机上反复演示：画出一个分子，见证其从1到100，再到1千万，由一个微观的分子演变成为巨大的时空尺度。学生们借助软件图形化界面，以类似VR虚拟现实的形式自己绘画与设计，这样的学习方式让枯燥的理论从平面教材变为模拟仿真。
“在老师课堂演示的启发下，我通过写程序完成模拟，能把某种化学反应背后的原理和动态过程展现出来，这些分子运动的原理和轨迹由抽象变成‘看得见摸得着’，更易于了解理论基础和实际化学材料之间的关系，这种事半功倍的学习方法让我觉得很好玩，我想要更进一步深入探究化学反应的本质和规律。”学生说。
当前，理论化学正迎来前所未有的发展机遇。随着超级计算技术的指数级增长和人工智能算法的突破性进展，理论模拟的精度和效率不断提升，正在深刻变革化学、生命科学和材料科学的研究范式。在催化机理解析、药物分子设计、新能源材料开发等前沿领域，理论方法不仅大幅降低了传统试错法的研发成本，更重要的是提供了实验手段难以获取的原子尺度洞察，推动着这些领域从经验探索向理性设计的范式转变。
在众多化学体系中，量子强关联体系因其独特的电子关联特性而成为研究热点。这类体系表现出强烈的电子－电子相互作用和显著的量子纠缠效应，这些量子特性为调控化学反应和材料性能提供了全新维度，在量子计算、分子自旋电子学、光电转换等领域展现出重要应用前景。然而，由于其复杂的多体量子效应，传统的单电子近似方法往往失效，给理论描述带来巨大挑战。正如量子力学奠基人之一、诺贝尔物理学奖得主保罗·狄拉克的深刻洞见：“化学的基本物理定律已经完全清楚，真正的困难在于这些定律对应的数学方程过于复杂而难以求解。”
马海波科研团队的研究工作正是致力于突破这一瓶颈，通过发展新型量子化学算法，实现对复杂量子多体问题的精确高效求解。
团队近期在强关联电子体系的理论方法研究方面取得突破性进展：针对传统计算方法难以同时精确描述复杂体系中静态与动态电子关联效应的关键科学难题，创新提出了基于重构基矢的算法框架。
该方法的理论创新在于，通过重新构建电子关联的数学描述空间，突破了现有计算方法的精度瓶颈，实现了对强关联体系基态与激发态性质（包括能量、结构、光谱响应等关键物理化学参数）的精准预测。
在方法学突破的基础上，团队成功研发了具有完全自主知识产权的国产量子化学计算软件。该软件的开发不仅填补了国内在该领域的空白，更解决了相关研究受制于人的风险。特别值得指出的是，这一理论计算平台在量子信息技术相关材料体系（如单分子磁体、稀土发光材料、分子量子比特等）的设计与优化方面展现出独特优势，为这些前沿功能材料的研发提供了可靠的理论模拟工具，有望显著加速其研发进程。
近年来，团队聚焦理论化学领域前沿问题，组建跨学科创新团队开展协同攻关，通过与华为、国家电网等领军企业的深度合作，在解决“卡脖子”技术难题方面取得系列突破。“产学研用”协同模式促进创新要素深度融合，推动科技成果转化应用，既服务了国家战略需求，也为研究生培养提供了高水平的实践平台，同时，“教育－科研－服务”良性循环的育人模式，有效培养了学生的社会责任感与实践创新能力。
马海波指导的研究生先后获得国家奖学金、美国化学会优秀报告奖等国内外重要奖项和国家级科研项目资助；多位毕业生成长为学术新秀，如马英晋博士入选中国科学院青年创新促进会，解晓宇博士获聘山东大学＂齐鲁青年学者＂、获批山东省优秀青年科学基金项目（海外）等。
他直言，科学探索就像打开一局游戏，在迷雾中前行，每每开拓出一小片新地图，展现在眼前的却是更加辽阔的未知疆域。“站在知识边缘”的兴奋感叠加挑战下一个难题的渴望，成了他一路“开疆打怪”的核心驱动力。
“既有内在的求知渴望，也有外界的正向反馈，加上学术共同体的认可与传承，推动我不断向前迈进。”马海波说，“这是一场跨越代际的接力，引用数十年前经典论文的瞬间，仿佛在与前辈学者隔空对话；当自己的研究成果得到业内肯定时，更会深刻感受到一种使命在肩的责任感。这种‘站在巨人肩膀上’的传承，让那个每一次探索都成为科学长河中的一环，也让个人的努力与更宏大的学术叙事紧密相连。”（王一晗、陈鸣飞）
