今日化學(xué)何去何從

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

2、 Abstracts(CA)上登錄的從天然產(chǎn)物中分離出來的和人工合成的已知化合物只有55萬種。經(jīng)過45年翻了一番，到1945年達(dá)到110萬種。再經(jīng)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(dá)2 340萬種。所以在這100年中，化學(xué)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(shù)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(xué)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(xué)能像化學(xué)那樣在過去的100年中創(chuàng)造出如此眾多的新化合物。這個(gè)成就用“空

3、前輝煌”來描述并不過分。但“化學(xué)家太謙虛”（這句話是Nature雜志在2001年的評(píng)論中說的，參見文獻(xiàn)1），不會(huì)向社會(huì)宣傳化學(xué)與化工對(duì)社會(huì)的重要貢獻(xiàn)。因此20世紀(jì)化學(xué)取得的輝煌成就，并未獲得社會(huì)應(yīng)有的認(rèn)可。二、20世紀(jì)發(fā)明的七大技術(shù)中最重要的是信息技術(shù)、化學(xué)合成技術(shù)和生物技術(shù)報(bào)刊上常說20世紀(jì)發(fā)明了六大技術(shù)：1.包括無線電、半導(dǎo)體、芯片、集成電路、計(jì)算機(jī)、通訊和網(wǎng)絡(luò)等的信息技術(shù)；2.基因重組、克隆和生物芯片等生物技術(shù)；3.核科學(xué)和核武器技術(shù)；4.航空航天和導(dǎo)彈技術(shù)；5.激光技術(shù)；6.納米技術(shù)。但卻很少有人提到包括新藥物、新材料、高分子、化肥和農(nóng)藥的化學(xué)合成（包括分離）技術(shù)。上述六大技術(shù)如果缺少

4、一兩個(gè)，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(nóng)藥的技術(shù)，世界糧食產(chǎn)量至少要減半，60億人口中的30億就會(huì)餓死。沒有發(fā)明合成各種抗生素和大量新藥物的技術(shù)，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(shù)，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(xué)工業(yè)技術(shù)，上述六大技術(shù)根本無法實(shí)現(xiàn)。這些都是無可爭(zhēng)辯的事實(shí)。但化學(xué)和化工界非常謙虛，從來不提抗議。我們應(yīng)該理直氣壯地大力宣傳20世紀(jì)發(fā)明了七大技術(shù)，即化學(xué)合成（包括分離）技術(shù)和上述六大技術(shù)。這七大技術(shù)發(fā)明可以按照人類需要的迫切性和由它們衍生的產(chǎn)業(yè)規(guī)模的大小來排序：（1）從人類對(duì)七大技術(shù)發(fā)明的需

5、要迫切性來看，化學(xué)合成和分離技術(shù)應(yīng)當(dāng)排名第一，已如前述，因?yàn)樗侨祟惿娴慕^對(duì)需要，沒有它，全世界一半人口要餓死。它還為其余六大技術(shù)發(fā)明提供了不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)。國外傳媒把哈勃（Haber）的合成氨技術(shù)（Haber process）評(píng)為20世紀(jì)最重要的發(fā)明，是很有道理的。排名第二的是信息技術(shù)，第三是生物技術(shù)，以下依次是航空航天技術(shù)，核技術(shù)，納米技術(shù)和激光技術(shù)。也許有人會(huì)問汽車產(chǎn)業(yè)不是比飛機(jī)還重要嗎？但第一輛內(nèi)燃機(jī)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(jì)發(fā)明的重大技術(shù)。而合成氨技術(shù)是哈勃在1909年發(fā)明，在1918年因而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。高分子合成技術(shù)是20世紀(jì)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(xué)技術(shù)是20世紀(jì)的重大發(fā)明。（2）從20世紀(jì)的七大技術(shù)發(fā)明衍生的產(chǎn)業(yè)規(guī)模及其對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的影響來看，排名次序如下：第一是信息產(chǎn)業(yè)，第二是由化學(xué)合成（包括分離）技術(shù)衍生的石油化工、精細(xì)化工、高分子化工和藥物、農(nóng)藥工業(yè)等產(chǎn)業(yè)，以及從空氣中分離出氧氣和氮?dú)猓瑥碾娊馑蟹蛛x出氫氣，作為電動(dòng)汽車的燃料，為解決將來水資源缺少的海水淡化產(chǎn)業(yè)等。第三是飛機(jī)、航天、人造衛(wèi)星及導(dǎo)彈產(chǎn)業(yè)，第四是核電站和核工業(yè)。這4個(gè)產(chǎn)業(yè)都是非常大的產(chǎn)業(yè)。其中在核產(chǎn)業(yè)中，有很大一部分是化工產(chǎn)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(chǎn)業(yè)和航

7、空航天導(dǎo)彈衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)中，都依靠冶金、稀有元素冶煉和高分子等化學(xué)合成產(chǎn)業(yè)。相對(duì)于前述4個(gè)產(chǎn)業(yè)而言，排在第五的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)、排在第六的納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)和排在第七的激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)這3個(gè)現(xiàn)在還是小產(chǎn)業(yè)。其中納米產(chǎn)業(yè)實(shí)際上是化學(xué)家發(fā)明C60等巴基球和碳納米管等衍生出來的合成化學(xué)產(chǎn)業(yè)，以及用各種方法把化學(xué)物質(zhì)制成納米尺度的合成產(chǎn)業(yè)。所以20世紀(jì)和21世紀(jì)上半葉理應(yīng)稱為信息和化學(xué)合成時(shí)代，要到21世紀(jì)下半葉才能稱為生物技術(shù)時(shí)代，因?yàn)槟壳吧锛夹g(shù)的實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)規(guī)模還很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及信息產(chǎn)業(yè)和合成化工產(chǎn)業(yè)。三、化學(xué)是一門中心科學(xué)化學(xué)是一門中心科學(xué)，化學(xué)與生命、材料等八大朝陽科學(xué)有非常密切的聯(lián)系，產(chǎn)生了許多重要的交叉學(xué)科

8、，但化學(xué)作為中心學(xué)科的形象反而被其交叉學(xué)科的巨大成就所埋沒。1.化學(xué)是一門承上啟下的中心科學(xué)。科學(xué)可按照它的研究對(duì)象由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的程度分為上游、中游和下游。數(shù)學(xué)、物理學(xué)是上游，化學(xué)是中游，生命、材料、環(huán)境等朝陽科學(xué)是下游。上游科學(xué)研究的對(duì)象比較簡(jiǎn)單，但研究的深度很深。下游科學(xué)的研究對(duì)象比較復(fù)雜，除了用本門科學(xué)的方法以外，如果借用上游科學(xué)的理論和方法，往往可收事半功倍之效?；瘜W(xué)是中心科學(xué)，是從上游到下游的必經(jīng)之地，永遠(yuǎn)不會(huì)像有些人估計(jì)的那樣將要在物理學(xué)與生物學(xué)的夾縫中逐漸消亡。2.化學(xué)又是一門社會(huì)迫切需要的中心科學(xué)，與我們的衣、食、?。ńú?、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(xué)家胡亞東教授最近發(fā)表文章指出：高分子化學(xué)的發(fā)展使我們的生活基本被高分子產(chǎn)品所包圍?；瘜W(xué)又為前述六大技術(shù)提供了必需的物質(zhì)基礎(chǔ)。3.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)等八大朝陽科學(xué)（sun-rise sciences)都有緊密的聯(lián)系、交叉和滲透的中心科學(xué)?；瘜W(xué)與八大朝陽科學(xué)之間產(chǎn)生了許多重要的交叉學(xué)科，但化學(xué)家非常謙虛，在交叉學(xué)科中放棄冠名權(quán)。例如“生物化學(xué)”被稱為“分子生物學(xué)”，“生物大分子的結(jié)構(gòu)化學(xué)”被稱為“結(jié)構(gòu)生物學(xué)”，“生物大分子的物理化學(xué)”被稱為“生物物理學(xué)”，“固體化學(xué)”被稱為“凝聚態(tài)物理學(xué)”，溶液理論、膠體化學(xué)被稱為“軟物質(zhì)物理學(xué)”，量子化學(xué)被稱為“原子分子

10、物理學(xué)”等。又如人類基因計(jì)劃的主要內(nèi)容之一實(shí)際上是基因測(cè)序的分析化學(xué)和凝膠色層等分離化學(xué)，但社會(huì)上只知道基因?qū)W，看不到化學(xué)家在其中有什么作用。再如分子晶體管、分子芯片、分子馬達(dá)、分子導(dǎo)線、分子計(jì)算機(jī)等都是化學(xué)家開始研究的，但開創(chuàng)這方面研究的化學(xué)家卻不提出“化學(xué)器件學(xué)”這一新名詞，而微電子學(xué)專家馬上看出這些研究的發(fā)展遠(yuǎn)景，并稱之為“分子電子學(xué)”。又如化學(xué)家合成了巴基球C60，于1996年被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，后來化學(xué)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(dāng)作應(yīng)用物理學(xué)或納米科學(xué)的貢獻(xiàn)。內(nèi)行人知道分子生物學(xué)正是生物化學(xué)的發(fā)展。在這個(gè)交叉領(lǐng)域里化學(xué)家與生物學(xué)家共同奮

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

12、有理論，只是一堆白菜，21世紀(jì)的化學(xué)沒有什么可搞的了”。這也是化學(xué)不被認(rèn)同的理由之一。對(duì)于這個(gè)問題，我國著名化學(xué)家唐敖慶院士有很好的回答，他指出19世紀(jì)的化學(xué)有三大理論成就：1.經(jīng)典原子分子論，包括建筑在定比、倍比和當(dāng)量定律基礎(chǔ)上的道爾頓原子論，以及包括碳4價(jià)及開庫勒提出的苯分子結(jié)構(gòu)等工作為中心內(nèi)容的分子結(jié)構(gòu)和原子價(jià)理論。2.門捷列夫的化學(xué)元素周期律。3.C.M.古爾德貝格和P.瓦格提出的質(zhì)量作用定律是宏觀化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。道爾頓的原子論和門捷列夫的化學(xué)元素周期律對(duì)于20世紀(jì)玻爾建立原子的殼層結(jié)構(gòu)模型具有十分重要的借鑒作用。所以化學(xué)和物理學(xué)這兩個(gè)姐妹學(xué)科是互相促進(jìn)的。20世紀(jì)的化學(xué)也有三大

13、理論成就：1.化學(xué)熱力學(xué)，可以判斷化學(xué)反應(yīng)的方向，提出化學(xué)平衡和相平衡理論。2.量子化學(xué)和化學(xué)鍵理論，量子化學(xué)家鮑林提出的氫鍵理論和蛋白質(zhì)分子的螺旋結(jié)構(gòu)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(chǔ)，后者又為破解遺傳密碼奠定基礎(chǔ)。所以化學(xué)與生物學(xué)也是互相促進(jìn)的。3.20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的分子反應(yīng)動(dòng)態(tài)學(xué)。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(xué)沒有理論，只是一堆白菜”的說法，是不公正的。到了21世紀(jì)，世界數(shù)學(xué)家協(xié)會(huì)提出七大數(shù)學(xué)難題，籌集了700萬美元，懸賞100萬美元給每一個(gè)難題的解決者。物理學(xué)提出了五大理論難題：1.4種作用力場(chǎng)的

14、統(tǒng)一問題，相對(duì)論和量子力學(xué)的統(tǒng)一問題。2.對(duì)稱性破缺問題。3.占宇宙總質(zhì)量90%的暗物質(zhì)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(jì)的生物學(xué)也有重大難題和奮斗目標(biāo)：1.后基因組學(xué)和人類疾病的消除。2.蛋白質(zhì)組學(xué)。3.腦科學(xué)。4.生物如何進(jìn)化？生命如何起源等。但化學(xué)家又比較謙虛，好像沒有人明確提出哪些是化學(xué)要解決的世紀(jì)難題。這樣與物理學(xué)和生物學(xué)相比，就會(huì)顯得化學(xué)沒有什么偉大的目標(biāo)了。其實(shí)化學(xué)家心目中是有自己的奮斗目標(biāo)的，只是不愿多說。但這又造成“化學(xué)無理論”的錯(cuò)誤印象。這是近年來在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)的淡化化學(xué)的思潮的主觀原因之一。那么化學(xué)果真提不出重大難題嗎？作者曾經(jīng)初步提出21

15、世紀(jì)化學(xué)有四大難題。五、21世紀(jì)化學(xué)的四大難題1.化學(xué)的第一根本規(guī)律（第一個(gè)世紀(jì)難題）：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。19世紀(jì)C.M.古爾德貝格和P.瓦格提出的質(zhì)量作用定律，是最重要的化學(xué)定律之一，但它是經(jīng)驗(yàn)的、宏觀的定律。H.艾林的絕對(duì)反應(yīng)速度理論是建筑在過渡態(tài)、活化能和統(tǒng)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗(yàn)理論。過渡態(tài)、活化能和勢(shì)能面等都是根據(jù)不含時(shí)間的薛定諤第一方程來計(jì)算的。所謂反應(yīng)途徑是按照勢(shì)能面的最低點(diǎn)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(jīng)驗(yàn)理論。近年來發(fā)展了含時(shí)Hart

16、ree-Fock方法，含時(shí)密度泛函理論方法，以酉群相干態(tài)為基礎(chǔ)的電子-原子核運(yùn)動(dòng)方程理論，波包動(dòng)力學(xué)理論等。但目前這些理論方法對(duì)描述復(fù)雜化學(xué)體系還有困難。所以建立嚴(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？等等，是21世紀(jì)化學(xué)應(yīng)該解決的第一個(gè)難題。2.化學(xué)的第二個(gè)世紀(jì)難題：分子結(jié)構(gòu)及其和性能的定量關(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、

17、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。雖然W.Kohn從理論上證明一個(gè)分子的電子云密度可以決定它的所有性質(zhì)，但實(shí)際計(jì)算困難很多，現(xiàn)在對(duì)結(jié)構(gòu)和性能的定量關(guān)系的了解，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要大力發(fā)展密度泛函理論和其他計(jì)算方法。這是21世紀(jì)化學(xué)的第二個(gè)重大難題。例如： 如何設(shè)計(jì)合成具有人們期望的某種性能的材料？ 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)數(shù)量級(jí)，但還遠(yuǎn)未達(dá)到金屬-金屬鍵的強(qiáng)度，所以增加金屬材料強(qiáng)度的潛力是很大的。又如目前高分子纖維達(dá)到的強(qiáng)度要比高分子中的共價(jià)鍵的強(qiáng)度小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這就向人們提出如何挑戰(zhàn)材料強(qiáng)度極限的大難題。 溶液

18、結(jié)構(gòu)和溶劑效應(yīng)對(duì)于性能的影響。 具有單分子和多分子層的膜結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。以上各方面是化學(xué)的第二個(gè)根本問題，其迫切性可能比第一個(gè)問題更大，因?yàn)樗墙鉀Q分子設(shè)計(jì)和實(shí)用問題的關(guān)鍵。3.化學(xué)的第三個(gè)世紀(jì)難題：生命現(xiàn)象中的化學(xué)機(jī)理問題。充分認(rèn)識(shí)和徹底了解人類和生物體內(nèi)分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，無疑是21世紀(jì)化學(xué)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(jī)理，這是藥物設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 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。這些方法使得研究者們不通過改變產(chǎn)生某一蛋白質(zhì)的基因密碼就可以研

19、究它們的功能，為開創(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研究的方法不同）奠定基礎(chǔ)。因此小分子配體與生物大分子受體的相互作用的機(jī)理，是一個(gè)重大的理論化學(xué)問題，值得人們關(guān)注。 光合作用的機(jī)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(xué)鍵打開，合成碳水化合物CH2On，并放出氧氣，供人類和其他動(dòng)物使用。 生物固氮作用的機(jī)理。 搞清楚牛、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)。 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)、

20、信息和認(rèn)知科學(xué)等交叉學(xué)科共同來解決的難題。 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。 了解從化學(xué)進(jìn)化到手性和生命起源的飛躍過程。 如何實(shí)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(xué)進(jìn)化到生物進(jìn)化的鴻溝。 蛋白質(zhì)和DNA的理論研究。4.化學(xué)的第四個(gè)世紀(jì)難題：納米尺度的基本規(guī)律。當(dāng)尺度在十分之幾到10 nm的量級(jí)，正處于量子尺度和經(jīng)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(yīng)，新的規(guī)律和重要應(yīng)用，值得理論化學(xué)家去探索研究。下面舉例說明納米效應(yīng)： 如以銀的熔點(diǎn)和銀粒子的尺度作圖，則當(dāng)粒子尺度在150 nm以上時(shí)，熔點(diǎn)不變，為960.3 ，即通常