国科大“物理学大师论坛”第二期火热开讲
——记2016年玻尔兹曼奖获得者Daan Frenkel教授做客物理学院
文：万彪、李晓月 图：李晓月
应中国科学院大学物理科学学院邀请，玻尔兹曼奖获得者Daan Frenkel教授于6月8日18：30在雁栖湖校区国际会议中心一层报告厅作了题为《The puzzle of self-assembly and t he self-assembly of puzzles》的学术报告。本次报告由物理科学学院副院长、理论物理研究所副所长陈晓松教授主持，相关领域的教师和学生参加了本次学术报告会。
Dann Frenkel教授，2016年统计物理领域最高奖——玻尔兹曼奖得主，2011-2015年任剑桥大学化学系主任，研究领域是软物质及生命物质体系中的自组装现象及相应的数值模拟技术开发，已发表450多篇论文，编著的教材《分子动力学模拟入门》（ understanding molecular simulation），被称为“分子模拟领域的圣经”，已被翻译为多种语言。
在正式开始报告之前，Daan Frenkel教授首先详细阐述了他在剑桥大学课题组最近的研究工作，介绍了剑桥大学校园和图书馆的情况，然后由剑桥大学三一学院门口那棵著名的“牛顿苹果树”引入报告，所谓的自组装是指：在纳米尺度上，结构简单的不同构造零件“拼块”自动聚集形成多种复杂结构，这些不同的结构可以实现不同的功能，例如DNA链作为基本“拼块”，可以通过堆积形成拥有结构复杂性。
报告的第一部分是围绕自组装的历史，即熵概念的起源进行阐述，Daan Frenkel教授首先带领大家回顾了卡诺热机、热力学第一和第二定律，克劳修斯对第二定律的表述，玻尔兹曼对熵的微观理解，普朗克熵的公式等基本概念，总之熵推动系统从无序到有序的的转变，如硬球势模型和液晶相的变化。
报告的第二部分是关于计算机模拟工具的研究现状，计算机模拟工具是研究熵推动的自组装过程的重要手段，Daan Frenkel教授把自组织过程类比于拼图游戏，即自组装的组成单元都是由一些拼块按照一定规则互相咬合拼在一起形成复杂的图案。在自组装里，这个对应过程称为可寻址复杂性（Addressable complexity），成百上千种的基本“拼块”可以自动在三维空间内找到自己的位置，形成复杂多样的目标结构。
报告的第三部分是关于利用计算机数值模拟工具设计自组装实验，例如可使用DNA链作为可寻址的基本“拼块”，或使用DNA片段包裹的胶体粒子作为“拼块”引起聚合自组装。在进行数值模拟后，可看出该聚合过程敏感依赖于温度，在很窄的温度区间快速发生；而且复合多价DNA比单价DNA对控制条件更敏感，更容易进行自组装。当使用近千种不同的DNA“拼块”可以自组装成多种多样的非普通结构，例如字母，城堡形状等等。Frenkel教授说相共存区域和成核过程是描述自组装路径的重要环节，因为快速降温过程使得体系从未组装相溶液进入共存相，随着胶体粒子密度增加，就促进了自组装聚合过程，但是最优化的自组装反应仍然是挑战性的。最后Daan Frenkel教授特别指出，通过数值模拟工具预测和设计自组装实验，还可以帮助工程研究上利用自组装来制备复杂材料。
到了提问环节，在座的同学们和老师都跃跃欲试，来自国科大物理科学学院研一的张铁夫同学问Daan Frenkel教授：“物理和化学有什么不同之处？”，Daan Frenkel教授回答说：“物理和化学的不同在于物理学研究的是所有事物的本质，而化学研究的是其中的一部分，所以它们之间其实是可以相互转化的。”，他还说不管是学习物理专业还是学习化学专业，首先都应该打好理论基础，他还鼓励同学们多思考，多关注多学科交叉领域，可以提高自己在科学领域的敏感度和思维的活跃度。
本次报告为物理科学学院举办的“物理学大师论坛”的第二期，汇报结束后不少同学拿着Daan Frenkel教授编著的《分子动力学模拟入门》请教授为自己签名，最后在Daan Frenkel教授与现场的老师和同学进行的深入的自由交流讨论中落下帷幕，大家纷纷表示Daan Frenkel教授儒雅的气度、严谨的论证、渊博的知识、风趣的语言给自己留下了深刻的印象。这不仅仅是一场物理学大师讲述自己研究成果的报告会，更是一场同学们与大师的交流讨论互动，所以最后取得了老师满意、同学好评的巨大成功。
