21世紀(jì)的四大化學(xué)難題

1、21世紀(jì)的四大化學(xué)難題化學(xué)是與信息、生命、材料、環(huán)境、能源、地球、空間和核科學(xué)等八大新興科學(xué)緊密聯(lián)系、交叉和滲透的中心科學(xué)。前不久在杭州召開(kāi)的中國(guó)化學(xué)會(huì)創(chuàng)建70周年紀(jì)念大會(huì)上，北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授、中國(guó)科學(xué)院院士徐光憲指出，21世紀(jì)是信息科學(xué)、合成化學(xué)和生命科學(xué)共同繁榮的世紀(jì)，同時(shí)化學(xué)也面臨四大難題。徐光憲說(shuō)，化學(xué)的核心是合成化學(xué)，在20世紀(jì)的100年中，化學(xué)合成和分離了2285萬(wàn)種新物質(zhì)、新藥物、新材料、新分子以滿足人類生活和高新技術(shù)發(fā)展的需要，沒(méi)有哪一門(mén)其它科學(xué)能像化學(xué)那樣，創(chuàng)造出如此眾多的新物質(zhì)，在合成化學(xué)領(lǐng)域共獲得41項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)。如果沒(méi)有合成各種抗生素和大量新藥物的技術(shù)，人類不能控制傳

2、染病和緩解心腦血管病，平均壽命要縮短25年；如果沒(méi)有合成纖維、合成塑料、合成橡膠的技術(shù)，人類生活要受到很大影響；信息技術(shù)的核心是集成電路芯片，是采用的化學(xué)制備的硅單晶片生產(chǎn)的，計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器等其它部件用了大量的化學(xué)合成材料；特別是如果沒(méi)有哈勃發(fā)明的高壓合成氨技術(shù)和以后的合成尿素技術(shù)，世界糧食產(chǎn)量至少要減半，哈勃也因此獲諾貝爾獎(jiǎng)。此后，C博施改進(jìn)了哈勃流程也獲諾貝爾獎(jiǎng)。所以國(guó)外傳媒把哈勃流程評(píng)為20世紀(jì)最重大的發(fā)明。1,合成化學(xué)難題-化學(xué)反應(yīng)理論建立嚴(yán)格徹底的微觀化學(xué)反應(yīng)理論,是21世紀(jì)化學(xué)應(yīng)該解決的第一個(gè)難題。如何建立精確有效而又普遍適用的化學(xué)反應(yīng)的含時(shí)多體量子理論和統(tǒng)計(jì)理論？化學(xué)是研究化學(xué)變

3、化的科學(xué)，所以化學(xué)反應(yīng)理論和定律是化學(xué)的第一根本規(guī)律。應(yīng)該說(shuō)，目前的一些理論方法對(duì)描述復(fù)雜化學(xué)體系還有困難。因此，建立嚴(yán)格徹底的微觀化學(xué)反應(yīng)理論，既要從初始原理出發(fā)，又要巧妙地采取近似方法，使之能解決實(shí)際問(wèn)題，包括決定某兩個(gè)或幾個(gè)分子之間能否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)？能否生成預(yù)期的分子？需要什么催化劑才能在溫和條件下進(jìn)行反應(yīng)？如何在理論指導(dǎo)下控制化學(xué)反應(yīng)？如何計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的速率？如何確定化學(xué)反應(yīng)的途徑等，是21世紀(jì)化學(xué)應(yīng)該解決的第一個(gè)難題。對(duì)于這一世紀(jì)難題，應(yīng)予首先研究的課題有：（1）充分了解若干個(gè)重要的典型的化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，以便設(shè)計(jì)最好的催化劑，實(shí)現(xiàn)在最溫和的條件進(jìn)行反應(yīng)，控制反應(yīng)的方向和手性，發(fā)現(xiàn)新的

4、反應(yīng)類型，新的反應(yīng)試劑。（2）在搞清楚光合作用和生物固氮機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)催化劑和反應(yīng)途徑，以便打斷CO2,N2等穩(wěn)定分子中的惰性化學(xué)鍵。（3）研究其它各種酶催化反應(yīng)的機(jī)理。酶對(duì)化學(xué)反應(yīng)的加速可達(dá)100億倍，專一性達(dá)100%。如何模擬天然酶，制造人工催化劑，是化學(xué)家面臨的重大難題。（4）充分了解分子的電子、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，用特定頻率的光脈沖來(lái)打斷選定的化學(xué)鍵一一選鍵化學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。2 .材料化學(xué)難題如何確立結(jié)構(gòu)和性能的定量關(guān)系？這里“結(jié)構(gòu)”和“性能”是廣義的，前者包含構(gòu)型、構(gòu)象、手性、粒度、形狀和形貌等，后者包含物理、化學(xué)和功能性質(zhì)以及生物和生理活性等。這是21世紀(jì)化學(xué)的第二個(gè)重大理論難

5、題。要優(yōu)先研究的課題有：（1）分子和分子間的非共價(jià)鍵的相互作用的本質(zhì)和規(guī)律。（2）超分子結(jié)構(gòu)的類型，生成和調(diào)控的規(guī)律。（3）給體-受體作用原理。（4）進(jìn)一步完善原子價(jià)和化學(xué)鍵理論，特別是無(wú)機(jī)化學(xué)中的共價(jià)問(wèn)題。（5）生物大分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)如何決定高級(jí)結(jié)構(gòu)？高級(jí)結(jié)構(gòu)又如何決定生物和生理活性？（6）分子自由基的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。（7）摻雜晶體的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。（8）各種維數(shù)的空腔結(jié)構(gòu)和復(fù)雜分子體系的構(gòu)筑原理和規(guī)律。（9）如何設(shè)計(jì)合成具有人們期望的某種性能的材料？（10）如何使宏觀材料達(dá)到微觀化學(xué)鍵的強(qiáng)度？例如“金屬胡須”的抗拉強(qiáng)度比通常的金屬絲大一個(gè)量級(jí)，但還遠(yuǎn)未達(dá)到金屬-金屬鍵的強(qiáng)度，所以增加金

6、屬材料強(qiáng)度的潛力是很大的。以上各方面是化學(xué)的第二根本問(wèn)題，其迫切性可能比第一問(wèn)題更大，因?yàn)樗墙鉀Q分子設(shè)計(jì)和實(shí)用問(wèn)題的關(guān)鍵。3 .生命化學(xué)難題-生命現(xiàn)象的化學(xué)機(jī)理生命過(guò)程包含許多化學(xué)反應(yīng)，所以生命活動(dòng)的過(guò)程，可以用也必須用化學(xué)過(guò)程來(lái)理解。如何揭示生命現(xiàn)象的化學(xué)機(jī)理？充分認(rèn)識(shí)和徹底了解人類和生物的生命運(yùn)動(dòng)的化學(xué)機(jī)理，無(wú)疑是21世紀(jì)化學(xué)亟待解決的重大難題之一。例如：（1）研究配體小分子和受體生物大分子相互作用的機(jī)理，這是藥物設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。（2）化學(xué)遺傳學(xué)為哈佛大學(xué)化學(xué)教授Schreiber所創(chuàng)建。他的小組合成某些小分子，使之與蛋白質(zhì)結(jié)合，并改變蛋白質(zhì)的功能，例如使某些蛋白酶的功能關(guān)閉。這些方法使得研

7、究者們不通過(guò)改變產(chǎn)生某一蛋白質(zhì)的基因密碼就可以研究它們的功能，為開(kāi)創(chuàng)化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)，化學(xué)基因組學(xué)（與生物學(xué)家以改變基因密碼來(lái)研究的方法不同）奠定基礎(chǔ)。（3）搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊等食草動(dòng)物胃內(nèi)酶分子如何把植物纖維分解為小分子的反應(yīng)機(jī)理，為充分利用自然界豐富的植物纖維資源打下基礎(chǔ)。（4）人類的大腦是用“泛分子”組裝成的最精巧的計(jì)算機(jī)。如何徹底了解大腦的結(jié)構(gòu)和功能將是21世紀(jì)的腦科學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、信息和認(rèn)知科學(xué)等交叉學(xué)科共同來(lái)解決的難題。（5）了解活體內(nèi)信息分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和生理調(diào)控的化學(xué)機(jī)理。（6）了解從化學(xué)進(jìn)化到手性和生命起源的飛躍過(guò)程。（7）如何實(shí)現(xiàn)從生物分子（bi

8、omolecules）到分子生命（molecularlife）的飛躍？如何制造活的分子（Makelife）,跨越從化學(xué)進(jìn)化到生物進(jìn)化的鴻溝。（8）研究復(fù)雜、開(kāi)放、非平衡的生命系統(tǒng)的熱力學(xué)，耗散和混沌狀態(tài)，分形現(xiàn)象等非線形科學(xué)問(wèn)題。4 .納米尺度難題如何揭示納米尺度的基本規(guī)律納米分子和材料的結(jié)構(gòu)與Ti能關(guān)系的基本規(guī)律是21世紀(jì)的化學(xué)和物理需要解決的重大難題之一?，F(xiàn)在中美日等國(guó)都把納米科學(xué)技術(shù)定為優(yōu)先發(fā)展的國(guó)家目標(biāo)。錢(qián)學(xué)森先生說(shuō)，繼信息科學(xué)之后，納米科學(xué)技術(shù)可能引起新一輪的產(chǎn)業(yè)革命。在復(fù)雜性科學(xué)和物質(zhì)多樣性研究中，尺度效應(yīng)至關(guān)重要。尺度的不同，常常引起主要相互作用力的不同，導(dǎo)致物質(zhì)性能及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律

9、和原理的質(zhì)的區(qū)別。納米尺度體系的熱力學(xué)性質(zhì)，包括相變和“集體現(xiàn)象”如鐵磁性，鐵電性，超導(dǎo)性和熔點(diǎn)等與粒子尺度有重要的關(guān)系。當(dāng)尺度在十分之幾到10納米的量級(jí)，正處于量子尺度和經(jīng)典尺度的模糊邊界中，此時(shí)熱運(yùn)動(dòng)的漲落和布朗運(yùn)動(dòng)將起重要的作用。例如金的熔點(diǎn)為1063C,納米金(5-10nm)的融化溫度卻降至330C。銀的熔點(diǎn)為960.3C,而納米銀(5-10nm)為100C。四大難題破解后的美好前景經(jīng)過(guò)50100年的努力，解決了化學(xué)的四大難題，我們不難設(shè)想我們美好的遠(yuǎn)景：(1)在解決第一和第三難題，充分了解光合作用、固氮作用機(jī)理和催化理論的基礎(chǔ)上，我們可以期望實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的工業(yè)化，在工廠中生產(chǎn)糧食和蛋白質(zhì)

10、，大大縮減寶貴的耕地面積，使地球能養(yǎng)活人口的數(shù)目成倍增加。第三難題的解決，在醫(yī)學(xué)上可以使人類免受疾病的痛苦，享受120150歲的天年。(2)在解決第二和第四難題的基礎(chǔ)上，我們可以期望得到比現(xiàn)在性能最好的合金鋼材強(qiáng)度大十倍，但重量輕幾倍的合成材料，使城市建筑和橋梁建設(shè)的面貌完全更新。(3)在充分了解結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的基礎(chǔ)上，我們能合成由高效、穩(wěn)定、廉價(jià)的太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化材料，組裝成器件。太陽(yáng)投射到地球上的能量，是當(dāng)前全世界能耗的一萬(wàn)培。如果光電轉(zhuǎn)化效率為10%,我們只要利用0。1%的太陽(yáng)能，就能滿足當(dāng)前全世界能源的需要。(4)未來(lái)的化工企業(yè)將是綠色的，零排放的，原子經(jīng)濟(jì)的，物質(zhì)在內(nèi)部循環(huán)的企業(yè)。街上行走(5)在合成了廉價(jià)的可再生的儲(chǔ)氫材料和能轉(zhuǎn)換材料的基礎(chǔ)上,