白春礼.化学:发现与创造的科学 ——国际化学百年发展启示[J].中国科学院院刊,2011,(Z1):1-10.

化学:发现与创造的科学 ——国际化学百年发展启示

Chemistry:A Science with Discovery and Creation——Celebrating the International Year of Chemistry
作者
白春礼
中国科学院 北京 100864
Bai Chunli
Chinese Academy of Science 100864 Beijing
中文关键词
         化学,国际化学年,发现与创造,化学创新,绿色化学,可持续
英文关键词
        chemistry,international year of chemistry,discovery and creation,chemical innovation,green chemistry,sustainable
中文摘要
        本文从化学百年来发现与创造的若干事例评述了化学科学的发展,从对学科本身的发展,对其它学科的促进,特别是对近百年来人类社会物质文明进步的贡献出发,提出了化学发展给我们带来的重要启示;介绍了近年来中国化学的快速发展;并针对新时期面对的能源、资源、材料、环境等重大挑战,提出了化学应如何创新和发展。
英文摘要
        This paper reviewed the contribution of 100-year history of the chemical science to the discovery and creation of the chemical science itself, to the other scientific disciplinary and to the development of the human civilization. The paper summarized the inspirations from the development of the 100-year chemical science and then introduced the rapid progress in China's chemistry research based on some statistic data. The paper puts forwards the tendency and future development of the chemical science facing on the energy, resource, material, and environment problems.
         化学是研究物质的结构、性能和转化过程的科学,更是创造新物质、探索新应用的学科,它与数学、物理和生物等学科构成了自然科学的基础。百年化学的发展表明,它在创造奇妙的新物质方面起到了核心作用,是开启物质世界中“取之不尽”的资源宝库的钥匙;同时,化学科学的发展与人类社会的发展同行,其对于社会的不断进步和人类物质生活质量的不断提高,都发挥了无可替代的作用。2008年12月30日,联合国第63届大会通过议案,将2011年作为联合国“国际化学年”,其主题是“我们的生活,我们的未来”,以纪念和表彰化学对于知识进步和经济发展做出的重要贡献(图1)。国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)表示,“国际化学年”将在全球范围内对化学科学的发展起到促进作用[1]。
        
图1 2011年国际化学年图徽
         我国近代化学发展虽晚于西方,但在百年的发展中也产生了一些有影响的工作,特别是经过近30年的发展,已进入世界化学大国的行列。在强调科学发展、可持续发展的今天,化学家应关注更广、更深层次的化学问题,应更加注重低能耗、低排放直至零排放、资源的可再生和循环与综合利用、开发新型能源和绿色产品等一系列目标的实现。我相信,化学作为一门“中心科学”,它的贡献应该而且必将会得到更加极致的体现。
1 百年化学带来的启示
         回顾化学的发展历史,19世纪化学各种学说的提出推动了化学的继往开来,如1811年“分子”概念的引入成为整个化学的基础和发展源泉;1869年门捷列夫在批判和继承前人工作的基础上,发现元素周期率,把化学元素及其化合物纳入一个统一的理论体系,对化学和其他自然科学的发展起了重大指导作用。近百年的化学也是如此,一方面化学的理论不断完善与发展,另一方面,在这些理论的指导下,化学家对组成分子的化学键本质、催化机理、分子间相互作用等的认识逐步系统和深入,以此为基础使得化学在发现与创造新物质的征程上更加如鱼得水,并逐步渗透到国民经济发展、人类生活改善以及国家安全保护的各个方面。
         纵观百年来化学的发展,可带给我们以下启示:
1.1 化学理论的建立与完善,推动了化学学科的发展
         20世纪,化学完整理论体系的建立促进了化学的日臻完善,特别是量子力学的发展给化学带来了新的生机。早在1927年Heitler和London就运用量子力学研究了氢分子的电子结构,该工作宣告了量子化学这门新学科的诞生。他们采用的价键理论强调通过量子力学来理解化学概念和规律,并成功地解释了Lweis于1916年提出的化学键电子配对理论。另外一种流行的量子化学方法是分子轨道理论,它认为电子在整个空间是离域的,可以方便地应用到各种复杂的体系。密度泛函理论的提出促使量子化学方法获得了广泛应用,其具有里程碑意义。密度泛函理论通过引入交换关联近似,能够以较小的计算量获得比较准确的计算结果。
         随着理论框架与计算方法的不断发展,理论与计算化学现已渗透到化学的各个分支以及物理、生物、材料等学科。从小分子反应到生物酶催化,从复杂体系结构表征到功能材料理论设计,理论与计算化学都发挥着不可或缺的作用。迄今已有7位化学家因为在该领域的杰出贡献而获得了诺贝尔化学奖:鲍林的价键学说和杂化轨道理论(1954);莫利肯的分子轨道理论(1966);福井谦一的前线轨道理论、霍夫曼的分子轨道对称守恒原理(1981);马库斯的电子转移理论(1992);科恩的电子密度泛函理论、波普尔的量子化学计算方法(1998)。
1.2 化学是带来重大发明创造的中心科学、 赋予人们能力的科学,是打开物质世界的钥匙
         作为自然科学的一个分支,化学有别于其他自然科学的是可以制造奇妙的物质。
         化学发展的基础是合成化学,在过去的一个世纪,新分子和化合物的数目从几十万种增加到几千万种以上,成为“取之不尽”的资源宝库。以手性化合物为例,手性是自然界的基本属性,手性化合物对映体的分子量、分子结构相同,但如果空间排列形式不同,其性质可截然不同(图2)。上世纪50年代末60年代初,“反应停(沙利度胺)”悲剧促进了人们对手性药物的深入研究与高效开发。2001年诺贝尔化学奖就授予了分子手性催化领域的三位杰出科学家威廉.诺尔斯(William S. Knowles)、野依良治(Ryoji Noyori)和巴里.夏普莱斯(K. Barry Sharpless),他们的重要贡献就在于开发出可以催化重要反应的分子,从而能保证只获得手性分子的一种镜像形态。这种催化剂分子本身也是一种手性分子,只需一个这样的催化剂分子,往往就可以产生数百万个具有所需镜像形态的分子。瑞典皇家科学院评价说,三位获奖者为合成具有新特性的分子和物质开创了一个全新的研究领域。现在,像抗生素、消炎药和心脏病药物等许多药物,都是根据他们的研究成果制造出来的。目前世界上使用的药物总数约为1 900种,其中手性药物占50%以上,在临床常用的200种药物中,手性药物多达110余种。同时,正在开发的药物中2/3以上是手性的。现在世界上手性药物销售以每年大于15%的速度增长,我国的手性药物市场更超过千亿元。因此,国际上手性和手性药物研究正方兴未艾,过去30年中手性科学取得的巨大进展更将推动这一研究领域的蓬勃发展。
        
D-多巴没有治疗效果 L-多巴(治疗帕金森病)
        
图2 第一个通过手性催化方法合成的手性药物:L-多巴1.3 化学支撑了人类社会的可持续发展
         化学在百年的发展中,对推动人类社会的可持续发展起到了核心作用。
         20世纪初,德国物理化学家弗里茨.哈伯发明的“哈伯法”对合成氨功不可没,其结束了人类完全依靠天然氮肥的历史,将人类从饥饿中拯救出来。20世纪80年代初,穿“的确良”是当时一大时尚。现在,从棉花和竹子等生物质资源中提取的纤维素纤维,因其具有良好的皮肤接触性、穿着舒适性、生理安全性、吸湿性和易整理性而得到广泛应用。20世纪50年代,合成染料的逐步应用使我们的生活更加多姿多彩。随着有机合成理论和技术的发展,人们对药物分子改造的设想也得以实现,使得合成药物成为人们应用的主要药品。
         现在,化学已为新能源、新材料的研究,乃至信息、医药、资源和环境等方面的发展提供了物质基础和技术保障。
         以能源领域为例,1901年美国德克萨斯的斯平德勒托普(Spindletop)油田的发现,使得石油在20世纪50年代开始逐步超过煤成为主要燃料来源。由原油中分离出不同化学馏分的炼油技术在不断地改进,最初采用的是简单的常压蒸馏,后来采用减压蒸馏,再后来发展为高温裂解,直至现在采用的催化裂解。现在在汽车行业,人们采用在汽油中添加少量的化学物质(醇类、醚类)来提高辛烷值、改善汽油的性能和降低发动机的磨损以延长其寿命,可以说化学的作用得到了最有力的证明;包括核电在内的和平利用核技术,始于1951年美国的和平原子能计划。自此,化学在包括生产用于反应堆的核燃料和用于调节放射性衰变产生的中子流的控制棒、用过的燃料棒的再加工、核废料处理、环境保护和减少核辐射的伤害在内的整个核技术中发挥了不可替代的作用[2];短短200年,电池成为人类生活不可或缺的宝物,从铅酸蓄电池到锌锰电池、镍镉电池、镍氢电池,再到锂离子电池,化学的身影无处不在(图3)。1889年化学家提出了燃料电池的概念,1965年和1966年将改进的培根氢氧燃料电池应用于双子星座和阿波罗飞船,使人们对燃料电池的兴趣达到顶点,20世纪90年代,实现燃料技术上的真正突破,使得燃料电池进入了应用阶段。当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急,能源问题日益成为制约经济社会发展的瓶颈时,越来越多的国家开始实行“阳光计划”,开发太阳能资源,寻求经济发展的新动力。1839年科学家发现了光伏效应,1954年生产出第一个硅基太阳能电池,1977年第一个非晶硅太阳能电池问世,20世纪90年代世界太阳能电池年产量稳步增长, 2007年,特拉华大学“超高效太阳能电池”转换效率达到42.8%,这一系列里程碑式的进展为人类未来大规模利用太阳能提供了极大的信心,使得太阳能电池这一近乎无限的能源体系有望成为未来重要的能量来源。
        
图3 电池发展的历史:从铅酸蓄电池到锂离子电池
         在材料领域,化学像一面魔术镜,将100多种元素巧妙地结合,组成了美丽神奇的材料世界,成为支持经济社会可持续发展的基石。例如:若要公路在任何天气情况下都能长期使用且外表结构不产生明显的破坏,其关键是混凝土密封剂和沥青的质量,而作为粘合添加剂使用的高分子聚合物可大大增强沥青路面的性能,如加入苯乙烯—丁二烯—苯乙烯共聚物(SBS)能避免路面形成车辙和开裂;20世纪70年代能源危机后,为了提高燃油效率,人们开始寻找能替代金属且重量轻的材料。化学的成就使汽车的某些部件从金属向塑料或新型高性能材料演变,从而使减轻汽车重量成为现实。在汽车设计中现已得到广泛应用的有:注塑成型车体、热塑性塑料保险杠、易着色和在紫外线下稳定的聚丙烯纤维,以及特殊的油漆、涂料和粘合剂等;天然橡胶产品出现于19世纪初期,但由于它在炎热天气下会变软,而在寒冷天气下又会变脆,其实用性有缺欠。1839年发明的天然橡胶硫化技术解决了这一问题,通过加入化学促进剂和稳定剂而得到改善的这一基本方法现仍在使用;从20世纪20年代早期试验火箭的首次发射,到50年代的通信卫星,再到80年代的可重复使用的航天飞机,人类在探索太空方面取得了骄人的业绩。成功的太空遨游有赖于具有足以克服地球引力的大推力高速火箭,其升空的基本原理是将推进剂的化学能转变成推进力。飞机的设计是从木头和纤维到复杂的工程材料的演变过程,在这一过程中,化学技术提供了符合设计要求的材料。研制出来的铝、钛合金为飞机制造提供了强度高、重量轻、耐高温和耐腐蚀的材料[2]。随着对碳纤维及复合材料研究的不断深入,其技术和产品也逐渐进入军用和民用领域,如用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等人体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。不久的将来,各种新颖材料的出现,如可被随意挤压成形,正常情况下保持松弛的状态,一旦受到外力的高速剧烈撞击时分子互相交错并锁在一起变紧变硬的凝胶材料、制作小魔法师哈里波特向我们炫耀的隐身斗篷的隐身材料、透明铝、透光混凝土材料,以及被称为“冻结的烟雾”的气凝胶材料等等,也许会见怪不怪。
1.4 化学引领了相关科学与技术的进步
         现代化学学科的形成和发展源自于工业革命的推动。它广泛应用现代科学的理论、技术和方法,在物质的合成、测试和认识物质的组成、结构等方面不断取得进步。20世纪中期以后,化学与生命、材料、能源、环境、信息等学科的交叉融合,不仅推动了化学自身的发展,也催生了众多新兴交叉前沿学科。
         如在与生命科学交叉融合的过程中,诞生了生物化学、分子生物学、生物无机和生物有机化学、化学生物学以及细胞层次的化学等。可以说化学架起了生命科学的桥梁。据统计,与生命科学相关的诺贝尔化学奖有18次之多。同时,生物学家和药学家也因对分子调控和机理的深入认识而获益匪浅,例如硝酸甘油(TNT)能缓解心绞痛的机理困惑了医学家、药理学家100余年,直到20世纪80年代,才被药理学家R.F.Furchgott、L.J.Ignarro和F.Murad的出色工作所解决,并于1998年获得诺贝尔生理学和医学奖。原来TNT能缓慢释放NO,而NO能使血管扩张,它是一种传递神经信息的“信使分子”,根据这一原理,美国辉瑞(Pfizer)制药公司研制出了新药伟哥(Viagra)。
         再以纳米科技为例,1959年费曼的幻想点燃了纳米科技之火,历经半个世纪的发展,幻想已逐步走向了现实。现在人们从电视广播、书刊报章、互联网络等渠道一点点认识了“纳米”,同时“纳米”也悄悄改变着我们。传统化学研究对象通常包含天文数字的原子/分子,例如1克水包含了约3.346×1022个水分子。从化学角度看,纳米结构是原子数目在几十个到上百万个之间的聚集体,研究对象变成了纳米尺度的物质,或在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子。因此,纳米科技为化学研究开辟了一个新的层次,纳米科技使化学在结构基元、结构层次、合成与组装方法、体系的功能等方面皆拓宽了视野,注入了新的活力。同时,化学也为纳米科技创造了丰富的研究对象,如前所述,化学的研究对象丰富多彩,是制造物质新品种最多的一级学科,如已知的上千万种分子和化合物,有很大一部分是人工合成的新品种;而构造复杂的纳米结构系统也需要对分子的自组织进一步深入理解。化学家随心所欲地构造出各种形状并具有不同性质的纳米结构,不仅为纳米材料、纳米器件、纳米药物的研究提供最重要的基础,也不断丰富纳米科技的研究内容。最后,化学与纳米将成为融科学前沿和先进技术于一体的完整体系,为知识进步和经济发展做出更重要的贡献。
         社会发展、科技进步总伴随着工具的完善和革新,扫描隧道显微镜的发明使人类实现了观察和操纵单个原子/分子的愿望,成为20世纪80年代世界十大科技成就之一。在此基础上,科学家对纳米科技的认识逐渐由浅入深,产生了大量的变革性理念和技术,如我国科学家提出了“纳米限域效应”的原创性理念,通过纳米孔道限域、晶面选择性暴露,以及强相互作用等方法,实现了催化特性的“自由”调控。基于纳米催化的世界首创“煤制乙二醇”成套技术,将对我国的能源和化工产业产生重要影响。基于“微/纳结构浸润性可控转换”原理的纳米绿色打印制版技术有望以“非感光、低成本、无污染、高度自动化”的优势成为未来印刷制版市场的主流技术,让我国印刷行业最终“告别污染,走向光明(无需避光)”,再创我国印刷技术的辉煌。
2 从数据看中国化学
         中国的近代化学在明末清初由欧洲传入,1932年8月4日中国化学会在南京成立。1949年后,科学教育与科学研究受到政府的重视,零散的化学学科逐步整合,化学学科体系得以重建。尤其是在“任务带学科”的发展方针指导下,一些新的学科从无到有地建立起来,高分子化学就是一个代表;1956年,国务院着手编制中国的第一个科学技术发展规划《1956年至1967年科学技术发展远景规划》,对我国化学的发展起了极大的推动作用,重视基础研究与完成国家急需的重大应用任务相结合是这一时期我国化学发展的一个重要特点;1978年,全国科学大会的召开,成为“科学的春天”到来的标志,但是,国内的科学研究已封闭了10年之久,对国际化学发展状况所知甚少,研究方法仍是在沿袭以前的传统,进展缓慢,各分支学科均陆续进入了一个调整期;1983年国家编制了《1986年至2000年中国科学技术发展长远规划》,其中的五项任务之一是抓好一批重点基础研究项目。在这一思想指导下,化学的基础性研究工作得到了新的部署。可以说,经过上世纪70代末到90年代初的调整与发展,我国的化学学科已比较完善,为全面发展奠定了较为坚实的基础;2006年2月9日国务院颁布《国家中长期科技发展规划纲要(2006—2020)》,为化学的可持续发展描绘出更为广阔的发展蓝图。
         经过几代化学家的不懈努力,化学基础研究和以化学为依托的化学工业取得了长足发展。例如侯德榜发明的侯氏制碱法、1965年人工合成“结晶牛胰岛素”、抗疟新药青蒿素等工作,都是中国化学家做出的突出贡献。改革开放30年,我国的化学科学步入了高速发展的盛世时期,我国已经成为国际化学社会中的一支彰显巨大影响的重要力量,不仅在基础研究领域取得了一批国际上有相当影响的成果,而且为国民经济的发展做出了重要贡献。
2.1 论文产出呈快速发展态势,国际学术影响力逐步提升
         我国已与美国、日本、德国等化学领域科研强国一并成为化学研究成果的主要产出国家。据中科院国家科学图书馆2009年10月的统计[3],1999—2009年,中国化学领域SCI论文总量列世界第2位,成为SCI论文增长速度最快的国家;同时,我国科学家的部分研究工作已在化学领域重要成果中占据一席之地,2005—2008年中国拥有高被引论文的数量超过日本,成为重要研究成果的主要产出国家之一(表1)。此外,许多化学领域著名学术机构和学术期刊相继出版中国专辑,向世界宣传中国科学家的学术成就,德国Wiley出版社先后为中科院化学所、中科院物理所、北京大学化学与分子工程学院和中国科技大学等单位出版《先进材料》(Adv.Mater.)专刊。我国国际学术影响不断扩大的另一体现是,国际著名学术期刊纷纷发表多篇中国化学家撰写的特邀论文。对近两年影响因子在10以上的7种综述性期刊的统计表明,中国内地科学家共发表了116篇综述。中国科学家积极参与国际学术活动,在包括IUPAC在内的重要学术机构担任重要职务的人数越来越多,越来越多的中国化学家担任包括Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等重要学术期刊的编辑、副主编、编委、顾问编委。需要指出的是,虽然我国化学在国际学术界的影响力在逐步提高,各项指标大幅上升,但我们应有清醒的认识,中国化学科学影响力的提升在很大程度上应归因于发表SCI论文数量的快速增长,在领域的开拓,成果的原创性等方面还需进一步加强。
        
2.2 化学是我国的优势学科
         经过 20世纪70 年代末至 90 年代初的调整与发展,我国的化学学科已比较完善,研究方向已基本明确,为全面发展奠定了较为坚实的基础。
         (1)自然科学论文发表中化学居首。中科院国家科学图书馆对19个学科的SCI论文做了详细的统计,1999—2009年,化学无论是发表论文数还是被引总频次都高居19学科之首,分别达到158 668篇和931 016次。同时,2009年11月27日中国科学技术信息研究所发布的统计数据中,SCI 2003—2007年我国科技人员作为第一作者的论文在2008年被引用论文篇数为94 856篇,其中化学占35.13%;被引用次数为279 635次,其中化学占41.82%。同时,1998—2007年我国发表论文累计引用次数超过200次的论文共62篇,其中化学27篇位居第一,占43.54%。这些数据充分说明,在国家的重视与支持下,经过科技人员的辛勤努力,化学这一传统科学在我国得到了全面持续发展。需要指出的是,从2009年TOP10国家19个学科标准分数据(论文总数、总被引频次、热点论文情况和高被引论文统计整体进行考虑,采用标准分统计方法计算)来看,化学得分15.8,低于数学的20.5分、材料科学的20.5以及工程技术的20.2分。同时上述3个学科在国际的排名已跃居第二,而我国化学学科世界排名近3年一直稳居第四位。
         (2)化学期刊被SCI收录居首。2010年6月下旬,汤姆逊-路透发布了 “期刊引证报告(JCR)”(2009版),即所谓SCI收录期刊的名录和它们的影响因子等数据。我国科技期刊被收录总数由2008版报告的81种增加到114种,在世界上的排位自2008年之后继续名列世界各国家和地区的第9位、亚洲的第2位。其中化学继续是国内自然科学各学科领域中被SCI收录期刊数量最多的学科,按照JCR报告列出的所收录期刊的学科分类,2009年我国共有25种期刊是属于化学(含化工和生物化学)类的,占我国被收录期刊总数114种的21.93%。特别值得一提的是,若以被收录的化学期刊数量排名,中国已超过日本、法国和瑞士而名列全球第6;同时,一些新的化学类期刊以高起点被收录。如创刊于2008年6月,由美国斯坦福大学戴宏杰教授和清华大学薛其坤院士任主编,清华大学化学系李亚栋教授和浙江大学彭笑刚教授任副主编,清华大学出版社和德国施普林格出版社联合出版《纳米研究》英文期刊,创刊仅1年即以超过4的影响因子进入了高端期刊的行列。此外,创刊于2006年,由中科院大连化物所和中科院成都有机化学所合办,包信和院士任主编并由爱尔舍弗出版社出版的英文期刊J. Nat. Gas Chem.2009年首次被JCR报告收录,其影响因子即已成为目前国内被收录的传统化学领域期刊中最高的(0.950)[4]。
3 化学的发展趋势
         化学作为一门与社会及国民经济各个领域息息相关、密不可分的基础科学和承上启下、渗透于各种新兴、交叉学科的中心科学,其未来的发展,从总体来说,应该特别注重加强在资源的有效合理开发、无害化使用、再生和循环利用方面的工作,要为经济的可持续发展提供物质保障和为改善人类的生活环境、提高生活质量提供更加绿色、更为质优价廉的衣食住行条件,要不断加强科学积淀以促进学科自身发展,而不要在学科交叉中迷失。为此,强化基础研究将始终是发展化学科学之根本,取得新进展与成果、提出新理论与观点、开发新材料与性能、创造新方法与工艺、建立新技术与装备将是学科发展的强大驱动力,而服务于社会和国民经济发展则是化学工作者须臾不可忘的历史使命[4]。我认为化学学科的发展有以下3方面趋势:
3.1 化学将向更广、更深层次延伸
         (1)原子/分子层次的认识将更为深入。由于技术能力和仪器设备研发能力的不断进步,空前准确和灵敏的仪器不断被创造和应用,使得科学家不仅能在原子、分子甚至电子层次观察并研究微观世界的性质,而且能够对其物质结构和能量过程进行操控。如扫描隧道显微镜用于观察和移动单个原子、分子;飞秒激光能描绘与控制分子内部的动力学过程;分子束技术可逐层、逐列地将原子、分子构筑成晶体等。
         (2)多层次分子间相互作用、复杂化学体系的研究更为系统。超分子体系是分子结构与宏观性能的关键纽带,是产生更高级结构的基础。化学研究将更注重探索和认识大分子、超分子、分子聚集体及其高级结构的形成、构筑、性能以及分子间相互作用的本质,同时更注重对复杂化学体系中的尺度效应和多尺度化学过程,更加注重对复杂生命体系的理解、模拟及调控的研究。
         (3)在创造新分子、新材料的基础上,将更加注重功能性。未来化学不仅可以设计和合成分子,而且能将这些分子组装、构筑成有特定功能的材料。
3.2 绿色化学将引起化学化工生产方式的变革,让我们迈向清洁和可持续发展
         从科学角度看,绿色化学是对传统化学思维方式的更新和发展;从环境角度看,它是从源头上消除污染、与生态环境协调发展的更高层次的化学;从经济角度看,它要求合理地利用资源和能源、降低生产成本,符合经济可持续发展的要求。
         绿色化学不仅涉及对现有化学过程的改进,更涉及新概念、新理论、新反应途径、新过程的研究。未来化学将会更加注重绿色产品设计的理念,如果一个产品本身对环境有害,仅仅降低其成本和改进其生产工艺来减轻对环境的影响是不够的。未来化学将更加注重经济、高效、环境友好的途径来制备与人类生活息息相关的物质,合成我们可持续的未来。同时,未来化学不仅需要创造新一代绿色、可持续化学产品,也需要变废为宝,将今天的废弃物变为明天的有用资源。
3.3 社会发展不断对化学学科提出新的需求
         当前,我国所面临的挑战有能源问题、环境问题、健康问题、资源与可持续发展问题等,如何从化学的角度,通过化学方法解决这些问题,为我国的发展和民族的振兴做出更大的贡献,已经成为化学工作者义不容辞的责任。
         (1)能源问题是世界各国面临的重大挑战。新能源将为世界经济可持续发展提供不竭动力。如太阳能电池的发展已历经160多年的漫长发展历史,至今为止,其基本结构和机理并没有发生改变。未来化学应致力于开发太阳能利用的新原理、新材料、新结构、新方法,纳米结构和量子效应的研究有望为解决太阳能电池发展中的核心问题提供新的途径。
         (2)环境问题已成为全球的共性问题。世界各国可获得的自然资源和所拥有的环境容量,与越来越扩大的需求相比,变得越来越紧缺。同时,化学是把双刃剑,在创造更加美好生活的同时,引起的环境污染问题日益受到关注。由于认识的滞后与局限以及经济基础、技术条件的限制,发达国家的环境治理无一例外,走的都是一条“先污染后治理”之路。因此,未来化学应更加注重开发经济、高效的污染控制及修复技术,应更加注重从源头上消除污染的设计理念。
         (3)资源问题是可持续发展的保障。人类要实现可持续发展,仅仅注重资源开发是远远不够的,还必须做到合理、高效地使用资源和实现资源的综合利用。同时,要有前瞻考虑,应更加注重开发稀缺资源的替代利用研究,如后石油时代的资源综合利用等,未来化学在这方面必定会发挥更为重要的作用。
         (4)材料创新是衡量科技进步的重要标志。材料对人类生产活动的影响是至关重要的。可以说,我们已步入了“新材料时代”。新材料的研发水平及成果转化规模正成为衡量一个国家经济发展和科技进步的重要标志。随着化学研究水平的提升,理论与实验的结合将更为密切,使得化学家预测、裁剪、设计分子的能力更为突出,揭示组成-结构-功能之间的关系更为有效,这为材料进一步发展提供了坚实基础。材料的发展将更加注重由结构材料向功能材料、多功能材料并重的方向发展,更加注重向智能材料方向发展。而通过“师法自然”并揭开其奥秘,会给我们以无穷的启发,将为开发新材料提供一条广阔的途径。
         (5)探索生命奥秘是人类永恒的主题。研究生命的调控机制、生命的起源与进化、疾病的发生机制和药物的作用机制,探索人脑工作的奥秘、智能的产生等,是科学家孜孜不倦致力研究的热点领域。未来化学将在分子和细胞水平上认识和研究生命过程中生物活性物质的结构和功能,以及动态相互作用的机制,这将具有十分重要的意义。
         (6)社会公共安全问题呼唤化学。社会公共安全已成为全球关注的一个重要问题,其中不确定性和应急性是公共安全突发事件的重要特征。从化学的角度来说,防患于未然以及处理已经发生的危机,是化学家义不容辞的责任和义务。化学将为构建和谐社会和国家的长治久安做出贡献,如化学将会在食品安全检测、化学事故处理救援、炸药与毒品等危险品的检测及处置、建筑阻燃与消防安全、人身防护材料等方面发挥至关重要的作用。
         化学是一门发现的科学、创造的科学,也是支撑国家安全和国民经济发展的科学。化学在解决粮食问题、战胜疾病、解决能源问题、改善环境问题、发展国家防御与安全所用的新材料和新技术等方面起着不可或缺的关键作用。回眸百年,展望未来,化学将继续在发现与创造的征程上不断前进,化学将面对能源、环境以及资源的挑战,不断为人类的可持续发展、创造美好生活提供有力的支撑。化学的发展一方面依赖于化学的持续不断的创新,另一方面也源自社会巨大需求的拉动。面对新时期,新发展,我们要不断提高原创能力,凝练目标形成我国化学发展的特色,使我国成为真正的化学强国。希望本文能引起我们更深的思考,站在国家需求和科学发展的战略高度,进一步思考未来化学科学的发展。
作者简介
纳米科技专家和物理化学家。中国科学院院长。中科院院士、发展中国家科学院院士、美国国家科学院外籍院士、英国皇家化学会Honorary Fellow、俄罗斯科学院外籍院士和印度科学院荣誉院士。1953年出生,辽宁丹东人。1978年毕业于北京大学化学系,1985年在中科院获博士学位。1985—1987年在美国加州理工学院作博士后和访问学者,1991—1992年为日本东北大学客座教授。先后从事过晶体结构、分子力学和扩展X射线吸收精细结构谱(EXAFS) 等方面的研究工作。从20世纪80年代中期开始转入扫描隧道显微学的研究,主要集中在扫描探针显微技术、分子纳米结构和纳米技术的研究。在国内外出版多部中英文著作,获国家和省部级科研成果奖励10余项。兼任中国微纳协会名誉理事长、国家纳米科技指导协调委员会首席科学家、中科院研究生院院长、国家科技奖励委员会副主任委员、发展中国家科学院副院长、亚洲化学联合会主席等。E-mail:whxu@cashq.ac.cn
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