1、化学使世界变得更加绚丽多彩 （二）当代自然科学的基石化学180多年前，德国的数学家高斯和意大利化学家阿伏加德罗进行过一场激烈的辩论，辩论的核心是化学究竟是不是一门真正的科学高斯说：“科学规律只存在于数学之中，化学不在精密科学之列”“数学虽然是自然科学之王，但没有其他科学，就会失去它的真正价值”阿伏加德罗反驳道此话惹翻了高斯，这位数学权威竟发起怒来：“对数学来说，化学充其量只能起一个女仆的作用”阿伏加德罗并没有被压服，他用实验事实进一步来证实自己的观点在将2升氢气放在1升氧气中燃烧得到2升水蒸气的结果给高斯时，他十分自豪地说：“请看吧！只要化学愿意，它就能使2加1等于2数学能做到这一点吗？不过，
2、遗憾的是我们对化学知道的太少了！”科学的发展证明了阿伏加德罗的观点是正确的，生活在现代社会的人们，谁也不会再去怀疑化学的重要性了化学是自然科学中最重要的基础学科之一它是在原子和分子的水平上研究物质的组成、结构、性质以及变化规律的科学化学发展到今天，已成为人类认识物质世界，改造世界的一种极为重要的武器人类的衣食住行，防病治病，资源利用，能源利用样样都离不开化学近代科学的发展，则更要依赖于化学的发展令人神往的宇宙航行，若没有以化学为基础的材料科学成果，是不可想象的；先进的计算机，若没有通过化学方法研制出的半导体材料，是不会成功的；环境科学是从化学中衍生出来的；分子生物学、遗传工程学也与化学有着密切
3、的联系化学已成为一个国家国民经济的重要支柱在当今世界综合国力的竞争中，化学能否保持领先地位，已成为一个国家能否取胜的重要因素之一。纳米科技纳米科学与技术是指在纳米尺度(0.1nm到100nm之间)上研究物质(包括原子、分子)的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科的科学和技术。它使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品，实现生产方式的飞跃。最早提出纳米尺度上科学和技术问题的专家是著名的物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼Richard PFeynman。1959年末
4、，他预言，化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。在那次演讲中，他还提到，当2000年人们回顾历史的时候，他们会为直到1959年才有人想到直接用原子、分子来制造机器而感到惊讶。纳米科技的迅速发展是在20世纪80年代末、90年代初。80年代初出现的纳米科技研究的重要工具扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术，对纳米科技的发展产生了积极的促进作用。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国际STM学术会议同时举办(实际上是一个会议有两个名称)，Nanotechnology和Nanobiology两种国际性专业期刊也在同年相继问世。这标
5、志着纳米科学技术的正式诞生。纳米科技的研究范围主要包括纳米材料学、纳米电子学、纳米机械学与纳米制造、纳米化学、纳米生物学以及原子、分子操纵和表征等领域。纳米科技的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品，因此研究单原子、分子的特性和相互作用以及揭示在纳米尺度上的新现象、新效应是纳米科技研究的重要前沿方向。近年来，纳米科技取得了一系列杰出的成就，例如惠普公司利用STM，通过自组装的方法，成功地获得了锗原子在硅表面形成的“金字塔”形的量子点，该量子点在基底上的跨度只有10 nm，高度只有1.5 nm。IBM公司在铜单晶的表面，利用扫描隧道显微镜的针尖逐个地将48个铁原子排列成半径为7.3
6、 nm的圆形栅栏。铜表面的电子气遇到铁原子时，就会被局部反射回去。做此栅栏的目的就是要试图捕获或将一些电子限制在圆形结构中，迫使这些电子进入“量子”态。这个实验的重要意义在于为科学家提供了研究微观体系量子现象的微小实验室。1959年，费曼博士所作的“化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题”的预言，现在已经可以实现这种操作。科学家利用STM将18个铯原子和18个碘原子拖放在一起。美国康奈尔大学的科学家最近成功地将CO分子和Fe原子组合起来，形成FeCO和Fe(CO)2分子。实验温度为260。这项研究不但有助于了解化学键的性质，还有助于制造更为复杂的分子。这些成就表明，人们在原子、分子水
7、平上对物质控制的能力有了很大的提高，纳米科技走向实用化的步伐又向前迈进了一步。但据估计纳米技术现在的发展水平只相当于计算机和信息技术在20世纪50年代的发展水平。人们研究纳米尺度基本现象的工具和对这些现象的理解水平还只是非常初步的。要想实现纳米技术的最终目的，尚有很多基础科学问题需要解答，包括对分子自组织的理解、如何构造量子器件、复杂的纳米结构系统是如何运作的等等。只有在物理、化学、材料科学、电子工程学以及其他学科的很多方面得到充分发展的情况下，才能真正地形成一项具体的纳米技术。我国化学发展前景化学是一门实用的学科，它与数学、物理学等学科共同成为当代自然科学迅猛发展的基础。化学的核心知识已经应
8、用于自然科学的方方面面，与其他学科相辅相成，构成了创造自然、改造自然的强大力量。化学在我国成为一门重要的学科，已是不争的事实。我国从事化学研究的科研机构有近千个，大学的化学系(院)有250多个，石油与石油化工企业有80多万家，加上其他化学化工和相关行业，我国参与化学研究与工作的人员队伍，其规模是国际上少有的。这正是我国化学科学发展的背景和动力。当前，我国所面临的挑战有人口控制问题、健康问题、环境问题、能源问题、资源与可持续发展问题等，化学家们希望从化学的角度，通过化学方法解决其中的问题，为我国的发展和民族的振兴做出更大的贡献。随着国家对农业科学研究的重视，农业和食品中的化学问题研究，已经引起越
9、来越多的化学工作者的关注。随着新世纪的到来，上述研究所涉及到的若干基本化学问题及交叉学科将成为21世纪我国化学研究的新方向，成为我国化学家有所作为的突破点。(1)若干化学基本问题反应过程与控制化学的中心是化学反应。虽然人们对化学反应的许多问题已有比较深刻的认识，但还有更多的问题尚不清楚。化学键究竟是如何断裂和重组的？分子是怎样吸收能量的？并是怎样在分子内激发化学键达到特定的反应状态的？这一系列属于反应动力学的问题都有待回答，其研究成果对有效控制反应十分重要。复杂体系的化学动力学、非稳态粒子的动力学、超快的物化过程的实时探测和调控以及极端条件下的物理化学过程都已经成为重要的研究方向。向生命学习，
10、研究生命过程中的各种化学反应和调控机制，正成为探索反应控制的重要途径，真正在分子水平上揭示化学反应的实质及规律将指日可待。合成化学未来化学发展的基础是合成化学的发展，21世纪合成化学将进一步向高效率和高选择性发展。新方法、新反应以及新试剂仍将会是未来合成化学研究的热点。手性合成与技术将越来越受到人们的重视。各类催化合成研究将会有更大进展。化学家也将更多地利用细胞来进行物质的合成，并且相信随着生物工程研究的进展，通过生物系统合成我们所需要的化合物之目的能够很快实现，这些将使合成化学呈现出崭新的局面。仿生合成也是一个一直颇受人们关注的热点，该方面的研究进展将产生高效的模拟酶催化剂，它们将对合成化学
11、产生重要影响。基于能量转换的化学反应太阳能的光电转换虽早已用于卫星，但大规模、大功率的光电转换材料的化学研究则开始不久。太阳能光解水产生氢燃料的研究，已经受到更大的重视，其中催化剂和高效储氢材料是目前研究最多的课题。值得特别提出的是，关于植物光合反应研究已经取得了一定的突破，燃料电池的研究也已在一些单位展开并取得进展。随着石油资源的近于枯竭，近年来对燃烧过程的研究又重新被提到日程上来。细致了解燃烧的机制，不仅是推动化学发展的需要，也是充分利用自然资源的关键，我国现阶段注重研究催化新理论和新技术，包括手性催化和酶催化等。新反应途径与绿色化学我国现阶段研究，一方面注意降低各种工业过程的废物排放、排
12、放废料的净化处理和环境污染的治理，另一方面重视开发那些低污染或无污染的产品和过程。因此，化学家不但要追求高效率和高选择性，而且还要追求反应过程的“绿色化”。这种“绿色化学”将促使21世纪化学发生重大变化。它要求化学反应符合“原子经济性”，即反应产率高，副产物少，而且耗能低，节省原材料，同时还要求反应条件温和，所用化学原料、化学试剂和反应介质以及所生成产物均无毒无害或低毒低害，与环境友善。毫无疑问，研究不排出任何废物的化学反应(原子经济性)，对解决地球的环境污染具有重大意义，高效催化合成、以水为介质、以超临界二氧化碳为介质的反应研究将会有大的发展。设计反应综合结构研究、分子设计、合成、性能研究的
13、成果以及计算机技术，是创造特定性能物质或材料的有效途径。分子团簇，原子、分子聚集体，已经在我国研究多年。目前这些研究正在深入，并与现代计算机技术、生物、医学等研究相结合，以获得多角度、多层次的研究结果。21世纪的化学家将更加普遍地利用计算机辅助进行反应设计，人们有望让计算机按照优秀化学家的思想方式去思考，让计算机评估浩如烟海的已知反应，从而选择最佳合成路线以制得预想的目的化合物。纳米化学与单分子化学从化学或物理学的角度来看，纳米级(10-9 m)的微粒，其性能由于表面原子或分子所占的比例超乎寻常地大而变得不同寻常。研究其特殊的光学、电学、催化性质以及特别的量子效应已受到重视。纳米化学的研究进展
14、将大大促进纳米材料的研究与应用。另一方面，借助STM/AFM和光摄等技术进行单分子化学的研究，将能观察在单分子层次上的许多不同于宏观的新现象和特异效应，对这些新现象和新效应的揭示可能会导致一些科学问题的突破。复杂体系的组成、结构与功能间关系研究21世纪的化学不仅要面对简单体系，还要面对包括生命体系在内的复杂系统。因此，除了研究分子的成键和断键，即研究离子键和共价键那样的强作用力之外，化学还必须考虑复杂体系中的弱相互作用力，如氢键、范德华力等等。虽然它们的作用力较弱，但由此却组装成分子聚集体和分子互补体系。这种超分子体系常常具有全新的性能，或者可使通常无法进行的反应得以进行。基于分子识别观点进行
15、设计、合成及组建新的、有各种功能的分子、超分子及纳米材料，将是未来一段时间中化学的重要研究内容。而深入研究控制分子的各种作用力，研究它们的本质并深刻了解分子识别，是一个颇具重大意义也是一个充满挑战的课题。研究分子、分子聚集体的结构以及纳米微粒与各种物理化学性质的关系，特别是分子电子学的研究在21世纪初将会有较大的进展。物质的表征、鉴定与测试方法研究反应、设计合成、探讨生命过程、工业过程控制、商品检验等等，都离不开对物质的表征、测试、组成与含量测定等。能否发展和建立适合于原子、分子、分子聚集体等不同层次的表征、鉴定与测定方法，特别是痕量物质的测定方法，将成为制约化学发展的一大关键。可以说，上述研
16、究方向的转变，成为20世纪末、21世纪初我国化学发展的一个显著特点，并将由此引发这一学科自身在各个层次上的变革，同时带动和促进其他学科与技术的共同繁荣和发展。(2)学科的渗透与交叉化学向其他学科的渗透趋势在21世纪将会更加明显。更多的化学工作者会投身到研究生命、研究材料的队伍中去，并在化学与生物学、化学与材料的交叉领域大有作为。化学必将为解决基因组工程、蛋白质组工程中的问题以及理解大脑的功能和记忆的本质等重大科学问题做出巨大的贡献。化学的发展已经、并也将会进一步带动和促进其他相关学科的发展，同时其他学科的发展和技术的进步也会反过来推动化学本身的不断前进。化学家已经能够研究单分子中的电子过程与能
17、量转移过程，探讨分子间的作用力和电子的运动。化学家不但能够描述慢过程，亦能跟踪超快过程，而这些研究将有助于化学家在更深层次揭示物质的性质及物质变化的规律。化学家还不断地汲取数学、物理学和其他学科中发展的新理论和新方法，非线性理论和混沌理论等将对多元复杂体系的研究产生影响。比如，随着计算机技术的发展，化学学科与数学方法、计算机技术的结合，形成了化学计量学，以此实现了用计算机模拟化学过程。运用量子力学方法处理分子结构与性能的关系，按照预定性能要求设计新型分子，应用数学方法和计算机确定新型分子的合成路线，使“分子设计”突破了传统的合成方法，化学家开始摆脱纯经验的摸索，为材料科学开辟了新的方向。绿色化
18、学、组合化学、能源化学、天体与地球化学、化学芯片的开发与应用等等，都是化学与其他学科交叉、融合的结果，这些交叉领域的研究也将是21世纪化学领域研究的亮点。化学研究的深入，还将带动我国仪器仪表工业发展。因为仪器仪表既是一个很大的行业，也是一个国家发达与否的标志之一。我国过去曾忽视对仪器研制，导致了分析仪器依赖进口的局面。经过我国科学界和工业界等的共同努力，2010年我们将看到自己研制、生产的分析及测试仪器如：微型气相色谱仪、新型毛细管电泳仪、电化学传感器，还可能出现多功能组合仪器、智能型色谱等，我国的仪器仪表工业将进入一个蓬勃发展的时期。(3)化学对国民生活质量的影响我国人口在21世纪上半叶将达
19、到16亿，保持我国农业的持续发展是我们面临的艰巨任务。农业发展的首要问题是保证全民族的食物安全和提高食物品质；其次是保护并改善农业生态环境，为农业持续发展奠定基础。化学将在创制高效肥料和高效农药、特别是与环境友善的生物肥料和生物农药，以及开发新型农业生产资料诸方面发挥巨大作用。我国化学家还将在克服和治理土地荒漠化、干旱及盐碱地等农业生态系统问题方面做出应有的贡献。科学家利用各种最先进的手段，有望揭示光合系统高效吸能、传能和转能的分子机理及调控，建立反应中心能量转化的动力学模型和能量高效传递的理论模型，从而达到高效利用光能为农业增产服务之目的。21世纪化学将在控制人口数量、克服疾病和提高人的生存
20、质量等人口与健康诸方面进一步发挥重大作用。未来的10年中，化学工作者将会发现和创造更安全和高效的避孕药。在攻克高死亡率和高致残的心脑血管病、肿瘤、高血脂和糖尿病以及艾滋病等疾病的进展中，化学工作者将不断创制包括基因疗法在内的新药物和新方法。此外，由于人口高速老龄化，老年病在21世纪初会成为影响我国人口生存质量的主要问题之一。化学将会在揭示老年病机理、开发和创制诊断和治疗老年性疾病药物和提高老年人的生活质量方面做出贡献。相信在21世纪初，我国化学家和药物化学家在针对肿瘤和神经系统等重要疾病的创新药物研究中，发现和优化数个新药候选化合物，建立具有自主知识产权的新药产业。中药是我国的宝贵遗产，化学研
21、究将在揭示中药的有效成分、揭示多组分药物的协同作用机理方面发挥巨大作用，从而加速中医药走向世界，实现产业化，成为我国经济新的增长点。(4)化学对国民经济的支撑作用化学将会在解决能源这一人类面临的重大问题方面做出贡献。目前我国的经济持续稳定增长，使能源开发利用面临需求增大和环境污染的双重压力。而能源利用效率低，环境污染严重是我国亟待解决的重要问题。发展新能源及其储能材料在受到化学家重视的同时，也引起政府部门的关注，科学研究和产业化研究正相伴而行。我国化学家可望在未来几年里创制和开发出多种新型催化剂，使我国的煤、天然气和煤层气的综合优化利用取得优异成绩，从而减缓我国的能源紧张和环境污染的压力。21
22、世纪我国核能利用将进一步发展，而化学研究涉及到核能生产的各个方面，化学工作者必将为我国核能的安全利用做出应有的贡献。此外，化学家在大规模、大功率的光电转换材料方面的探索研究将导致太阳能的开发利用。而化学家从事的新燃料电池及催化剂的研究可能在21世纪初出现突破，电动汽车将向实用化迈出一大步，这将改变人类能源消费的方式，同时提高人类生态环境的质量。展望21世纪我国的材料科学与工业的发展，化学必将发挥关键作用。首先，化学将不断提高基础材料如钢铁、水泥和通用有机高分子材料及复合材料的质量与性能；其次，化学工作者将创造各类新材料，如电子信息材料、生物医用材料、新型能源材料、生态环境材料和航天航空材料等，
23、化学工作者将利用各种先进技术，在原子、分子及分子链尺度上对材料组织结构进行设计、控制及制造。特别要指出的是，晶体材料的设计理论和方法研究，是我国化学发展的一个重要且富有成效的领域，在21世纪它将会有更大的发展，一些有价值的具有新功能的晶体和大尺寸的新型非线性光学晶体、重要激光晶体、闪烁晶体及铁电陶瓷晶体研究将达到实用和开发水平。另一方面，我国是世界稀土资源大国，总储量占世界的80，产量占世界的70，然而其中一大半是以资源或初级产品方式出口国外，这种局面在未来的几年中将转变。我国化学家在2010年前将在稀土分离理论和高纯稀土分离、新型稀土磁学材料、发光材料等方面的研究中，取得一批具有国际领先水平、明确应用前景和独创性的基础研究成果和具有自主产权的重大关键技术，使我国的资源优势转化为产业优势。展望未来10年化学事业的发展和化学对人类生活的影响，我们充满信心，亦倍感兴奋。化学是无限的，化学是至关重要的，它将帮助我们解决21世纪所面临的一系列问题，化学将迎来她的黄金时代！
