今日化學何去何從

1、今日化學何去何從？徐光憲今日化學何去何從？對于這個問題有兩種回答：第一種回答：化學已有200余年的歷史，是一門成熟的老科學，現(xiàn)在發(fā)展的前途不大了；21世紀的化學沒有什么可搞了，將在物理學與生物學的夾縫中逐漸消亡。第二種回答：20世紀的化學取得了輝煌的成就，21世紀的化學將在與物理學、生命科學、材料科學、信息科學、能源、環(huán)境、海洋、空間科學的相互交叉，相互滲透，相互促進中共同大發(fā)展。本文主張第二種回答。一、20世紀化學取得的空前輝煌成就并未獲得社會應有的認同在20世紀的100年中，化學與化工取得了空前輝煌的成就。這個“空前輝煌”可以用一個數(shù)字來表達，就是2 285萬。1900年在Chemical

2、 Abstracts(CA)上登錄的從天然產物中分離出來的和人工合成的已知化合物只有55萬種。經過45年翻了一番，到1945年達到110萬種。再經過25年，又翻一番，到1970年為236.7萬種。以后新化合物增長的速度大大加快，每隔10年翻一番，到1999年12月31日已達2 340萬種。所以在這100年中，化學合成和分離了2 285萬種新化合物、新藥物、新材料、新分子來滿足人類生活和高新技術發(fā)展的需要，而在1900年前的歷史長河中人們只知道55萬種。從上面的數(shù)字還可以看出，化學是以指數(shù)函數(shù)的形式向前發(fā)展的。沒有一門其他科學能像化學那樣在過去的100年中創(chuàng)造出如此眾多的新化合物。這個成就用“空

3、前輝煌”來描述并不過分。但“化學家太謙虛”（這句話是Nature雜志在2001年的評論中說的，參見文獻1），不會向社會宣傳化學與化工對社會的重要貢獻。因此20世紀化學取得的輝煌成就，并未獲得社會應有的認可。二、20世紀發(fā)明的七大技術中最重要的是信息技術、化學合成技術和生物技術報刊上常說20世紀發(fā)明了六大技術：1.包括無線電、半導體、芯片、集成電路、計算機、通訊和網絡等的信息技術；2.基因重組、克隆和生物芯片等生物技術；3.核科學和核武器技術；4.航空航天和導彈技術；5.激光技術；6.納米技術。但卻很少有人提到包括新藥物、新材料、高分子、化肥和農藥的化學合成（包括分離）技術。上述六大技術如果缺少

4、一兩個，人類照樣生存。但如沒有發(fā)明合成氨、合成尿素和第一、第二、第三代新農藥的技術，世界糧食產量至少要減半，60億人口中的30億就會餓死。沒有發(fā)明合成各種抗生素和大量新藥物的技術，人類平均壽命要縮短25年。沒有發(fā)明合成纖維、合成橡膠、合成塑料的技術，人類生活要受到很大影響。沒有合成大量新分子和新材料的化學工業(yè)技術，上述六大技術根本無法實現(xiàn)。這些都是無可爭辯的事實。但化學和化工界非常謙虛，從來不提抗議。我們應該理直氣壯地大力宣傳20世紀發(fā)明了七大技術，即化學合成（包括分離）技術和上述六大技術。這七大技術發(fā)明可以按照人類需要的迫切性和由它們衍生的產業(yè)規(guī)模的大小來排序：（1）從人類對七大技術發(fā)明的需

5、要迫切性來看，化學合成和分離技術應當排名第一，已如前述，因為它是人類生存的絕對需要，沒有它，全世界一半人口要餓死。它還為其余六大技術發(fā)明提供了不可或缺的物質基礎。國外傳媒把哈勃（Haber）的合成氨技術（Haber process）評為20世紀最重要的發(fā)明，是很有道理的。排名第二的是信息技術，第三是生物技術，以下依次是航空航天技術，核技術，納米技術和激光技術。也許有人會問汽車產業(yè)不是比飛機還重要嗎？但第一輛內燃機汽車是德國人在1886年發(fā)明的，所以汽車、火車、煉鋼等都是19世紀發(fā)明的重大技術。而合成氨技術是哈勃在1909年發(fā)明，在1918年因而獲得諾貝爾化學獎。高分子合成技術是20世紀50年代

6、發(fā)展起來的。新藥物、新材料的合成更是近50年的事。因此合成化學技術是20世紀的重大發(fā)明。（2）從20世紀的七大技術發(fā)明衍生的產業(yè)規(guī)模及其對世界經濟的影響來看，排名次序如下：第一是信息產業(yè)，第二是由化學合成（包括分離）技術衍生的石油化工、精細化工、高分子化工和藥物、農藥工業(yè)等產業(yè)，以及從空氣中分離出氧氣和氮氣，從電解水中分離出氫氣，作為電動汽車的燃料，為解決將來水資源缺少的海水淡化產業(yè)等。第三是飛機、航天、人造衛(wèi)星及導彈產業(yè)，第四是核電站和核工業(yè)。這4個產業(yè)都是非常大的產業(yè)。其中在核產業(yè)中，有很大一部分是化工產業(yè)，如核燃料的前處理和后處理工業(yè)，重氫、重水工業(yè)、稀有元素冶煉工業(yè)等，又如信息產業(yè)和航

7、空航天導彈衛(wèi)星產業(yè)中，都依靠冶金、稀有元素冶煉和高分子等化學合成產業(yè)。相對于前述4個產業(yè)而言，排在第五的生物技術產業(yè)、排在第六的納米技術產業(yè)和排在第七的激光技術產業(yè)這3個現(xiàn)在還是小產業(yè)。其中納米產業(yè)實際上是化學家發(fā)明C60等巴基球和碳納米管等衍生出來的合成化學產業(yè)，以及用各種方法把化學物質制成納米尺度的合成產業(yè)。所以20世紀和21世紀上半葉理應稱為信息和化學合成時代，要到21世紀下半葉才能稱為生物技術時代，因為目前生物技術的實際應用和產業(yè)規(guī)模還很小，遠遠不及信息產業(yè)和合成化工產業(yè)。三、化學是一門中心科學化學是一門中心科學，化學與生命、材料等八大朝陽科學有非常密切的聯(lián)系，產生了許多重要的交叉學科

8、，但化學作為中心學科的形象反而被其交叉學科的巨大成就所埋沒。1.化學是一門承上啟下的中心科學。科學可按照它的研究對象由簡單到復雜的程度分為上游、中游和下游。數(shù)學、物理學是上游，化學是中游，生命、材料、環(huán)境等朝陽科學是下游。上游科學研究的對象比較簡單，但研究的深度很深。下游科學的研究對象比較復雜，除了用本門科學的方法以外，如果借用上游科學的理論和方法，往往可收事半功倍之效?；瘜W是中心科學，是從上游到下游的必經之地，永遠不會像有些人估計的那樣將要在物理學與生物學的夾縫中逐漸消亡。2.化學又是一門社會迫切需要的中心科學，與我們的衣、食、住（建材、家具）、行（汽車、道路）都有非常緊密的聯(lián)系。我國高分子

9、化學家胡亞東教授最近發(fā)表文章指出：高分子化學的發(fā)展使我們的生活基本被高分子產品所包圍?；瘜W又為前述六大技術提供了必需的物質基礎。3.化學是與信息、生命、材料、環(huán)境、能源、地球、空間和核科學等八大朝陽科學（sun-rise sciences)都有緊密的聯(lián)系、交叉和滲透的中心科學。化學與八大朝陽科學之間產生了許多重要的交叉學科，但化學家非常謙虛，在交叉學科中放棄冠名權。例如“生物化學”被稱為“分子生物學”，“生物大分子的結構化學”被稱為“結構生物學”，“生物大分子的物理化學”被稱為“生物物理學”，“固體化學”被稱為“凝聚態(tài)物理學”，溶液理論、膠體化學被稱為“軟物質物理學”，量子化學被稱為“原子分子

10、物理學”等。又如人類基因計劃的主要內容之一實際上是基因測序的分析化學和凝膠色層等分離化學，但社會上只知道基因學，看不到化學家在其中有什么作用。再如分子晶體管、分子芯片、分子馬達、分子導線、分子計算機等都是化學家開始研究的，但開創(chuàng)這方面研究的化學家卻不提出“化學器件學”這一新名詞，而微電子學專家馬上看出這些研究的發(fā)展遠景，并稱之為“分子電子學”。又如化學家合成了巴基球C60，于1996年被授予諾貝爾化學獎，后來化學家又做了大量研究工作，合成了碳納米管。但是許多由這一發(fā)明所帶來的研究被人們當作應用物理學或納米科學的貢獻。內行人知道分子生物學正是生物化學的發(fā)展。在這個交叉領域里化學家與生物學家共同奮

11、斗，把科學推向前進。但在中學生或外行看來，“分子生物學”中“化學”一詞消失了，覺得化學的領域越來越小，幾乎要在生物學與物理學的夾縫中消亡。這樣，化學這門重要的中心科學（central science）反而被社會看作是伴娘科學（bridesmaid science）而不受重視。世界著名的Nature雜志也為化學家鳴不平，在2001年 發(fā)表了社論說：“化學的形象被其交叉學科的成功所埋沒”。但化學家仍然很謙虛，居然不喊不叫也不抱怨。化學家的謙虛本是美德，但因此而在社會上造成化學是落日科學（sunset science）的印象，吸引不到優(yōu)秀的年輕學生，這個問題就大了。四、化學有沒有理論有人說：“化學沒

12、有理論，只是一堆白菜，21世紀的化學沒有什么可搞的了”。這也是化學不被認同的理由之一。對于這個問題，我國著名化學家唐敖慶院士有很好的回答，他指出19世紀的化學有三大理論成就：1.經典原子分子論，包括建筑在定比、倍比和當量定律基礎上的道爾頓原子論，以及包括碳4價及開庫勒提出的苯分子結構等工作為中心內容的分子結構和原子價理論。2.門捷列夫的化學元素周期律。3.C.M.古爾德貝格和P.瓦格提出的質量作用定律是宏觀化學反應動力學的基礎。道爾頓的原子論和門捷列夫的化學元素周期律對于20世紀玻爾建立原子的殼層結構模型具有十分重要的借鑒作用。所以化學和物理學這兩個姐妹學科是互相促進的。20世紀的化學也有三大

13、理論成就：1.化學熱力學，可以判斷化學反應的方向，提出化學平衡和相平衡理論。2.量子化學和化學鍵理論，量子化學家鮑林提出的氫鍵理論和蛋白質分子的螺旋結構模型，為1953年沃生和克里克提出DNA分子的雙螺旋模型奠定了基礎，后者又為破解遺傳密碼奠定基礎。所以化學與生物學也是互相促進的。3.20世紀60年代發(fā)展起來的分子反應動態(tài)學。沒有這三大理論，要取得合成2 285萬種化合物的輝煌成就是不可能的。因此，“化學沒有理論，只是一堆白菜”的說法，是不公正的。到了21世紀，世界數(shù)學家協(xié)會提出七大數(shù)學難題，籌集了700萬美元，懸賞100萬美元給每一個難題的解決者。物理學提出了五大理論難題：1.4種作用力場的

14、統(tǒng)一問題，相對論和量子力學的統(tǒng)一問題。2.對稱性破缺問題。3.占宇宙總質量90%的暗物質是什么的問題。4.黑洞和類星體問題。5.夸克禁閉問題等。21世紀的生物學也有重大難題和奮斗目標：1.后基因組學和人類疾病的消除。2.蛋白質組學。3.腦科學。4.生物如何進化？生命如何起源等。但化學家又比較謙虛，好像沒有人明確提出哪些是化學要解決的世紀難題。這樣與物理學和生物學相比，就會顯得化學沒有什么偉大的目標了。其實化學家心目中是有自己的奮斗目標的，只是不愿多說。但這又造成“化學無理論”的錯誤印象。這是近年來在世界范圍內出現(xiàn)的淡化化學的思潮的主觀原因之一。那么化學果真提不出重大難題嗎？作者曾經初步提出21

15、世紀化學有四大難題。五、21世紀化學的四大難題1.化學的第一根本規(guī)律（第一個世紀難題）：建立精確有效而又普遍適用的化學反應的含時多體量子理論和統(tǒng)計理論。化學是研究化學變化的科學，所以化學反應理論和定律是化學的第一根本規(guī)律。19世紀C.M.古爾德貝格和P.瓦格提出的質量作用定律，是最重要的化學定律之一，但它是經驗的、宏觀的定律。H.艾林的絕對反應速度理論是建筑在過渡態(tài)、活化能和統(tǒng)計力學基礎上的半經驗理論。過渡態(tài)、活化能和勢能面等都是根據不含時間的薛定諤第一方程來計算的。所謂反應途徑是按照勢能面的最低點來描繪的。這一理論和提出的新概念雖然非常有用，但卻是不徹底的半經驗理論。近年來發(fā)展了含時Hart

16、ree-Fock方法，含時密度泛函理論方法，以酉群相干態(tài)為基礎的電子-原子核運動方程理論，波包動力學理論等。但目前這些理論方法對描述復雜化學體系還有困難。所以建立嚴格徹底的微觀化學反應理論，既要從初始原理出發(fā)，又要巧妙地采取近似方法，使之能解決實際問題，包括決定某兩個或幾個分子之間能否發(fā)生化學反應？能否生成預期的分子？需要什么催化劑才能在溫和條件下進行反應？如何在理論指導下控制化學反應？如何計算化學反應的速率？如何確定化學反應的途徑？等等，是21世紀化學應該解決的第一個難題。2.化學的第二個世紀難題：分子結構及其和性能的定量關系。這里“結構”和“性能”是廣義的，前者包含構型、構象、手性、粒度、

17、形狀和形貌等，后者包含物理、化學和功能性質以及生物和生理活性等。雖然W.Kohn從理論上證明一個分子的電子云密度可以決定它的所有性質，但實際計算困難很多，現(xiàn)在對結構和性能的定量關系的了解，還遠遠不夠。要大力發(fā)展密度泛函理論和其他計算方法。這是21世紀化學的第二個重大難題。例如： 如何設計合成具有人們期望的某種性能的材料？ 如何使宏觀材料達到微觀化學鍵的強度？例如“金屬胡須”的抗拉強度比通常的金屬絲大一個數(shù)量級，但還遠未達到金屬-金屬鍵的強度，所以增加金屬材料強度的潛力是很大的。又如目前高分子纖維達到的強度要比高分子中的共價鍵的強度小兩個數(shù)量級。這就向人們提出如何挑戰(zhàn)材料強度極限的大難題。 溶液

18、結構和溶劑效應對于性能的影響。 具有單分子和多分子層的膜結構和性能的關系。以上各方面是化學的第二個根本問題，其迫切性可能比第一個問題更大，因為它是解決分子設計和實用問題的關鍵。3.化學的第三個世紀難題：生命現(xiàn)象中的化學機理問題。充分認識和徹底了解人類和生物體內分子的運動規(guī)律，無疑是21世紀化學亟待解決的重大難題之一。例如： 研究配體小分子和受體生物大分子相互作用的機理，這是藥物設計的基礎。 化學遺傳學為哈佛大學化學教授Schreiber所創(chuàng)建。他的小組合成某些小分子，使之與蛋白質結合，并改變蛋白質的功能，例如使某些蛋白酶的功能關閉。這些方法使得研究者們不通過改變產生某一蛋白質的基因密碼就可以研

19、究它們的功能，為開創(chuàng)化學蛋白質組學，化學基因組學（與生物學家以改變基因密碼來研究的方法不同）奠定基礎。因此小分子配體與生物大分子受體的相互作用的機理，是一個重大的理論化學問題，值得人們關注。 光合作用的機理活分子催化劑葉綠素如何利用太陽能把很穩(wěn)定的CO2和H2O分子的化學鍵打開，合成碳水化合物CH2On，并放出氧氣，供人類和其他動物使用。 生物固氮作用的機理。 搞清楚牛、羊等食草動物胃內酶分子如何把植物纖維分解為小分子的反應機理，為充分利用自然界豐富的植物纖維資源打下基礎。 人類的大腦是用“泛分子”組裝成的最精巧的計算機。如何徹底了解大腦的結構和功能將是21世紀的腦科學、生物學、化學、物理學、

20、信息和認知科學等交叉學科共同來解決的難題。 了解活體內信息分子的運動規(guī)律和生理調控的化學機理。 了解從化學進化到手性和生命起源的飛躍過程。 如何實現(xiàn)從生物分子（biomolecules）到分子生命（molecular life）的飛躍？如何制造活的分子（make life），跨越從化學進化到生物進化的鴻溝。 蛋白質和DNA的理論研究。4.化學的第四個世紀難題：納米尺度的基本規(guī)律。當尺度在十分之幾到10 nm的量級，正處于量子尺度和經典尺度的模糊邊界（fuzzy boundary）中，有許多新的奇異特性和新的效應，新的規(guī)律和重要應用，值得理論化學家去探索研究。下面舉例說明納米效應： 如以銀的熔點和銀粒子的尺度作圖，則當粒子尺度在150 nm以上時，熔點不變，為960.3 ，即通常