21世紀的四大化學難題

1、21世紀的四大化學難題化學是與信息、生命、材料、環(huán)境、能源、地球、空間和核科學等八大新興科學緊密聯(lián)系、交叉和滲透的中心科學。前不久在杭州召開的中國化學會創(chuàng)建70周年紀念大會上，北京大學化學學院教授、中國科學院院士徐光憲指出，21世紀是信息科學、合成化學和生命科學共同繁榮的世紀，同時化學也面臨四大難題。徐光憲說，化學的核心是合成化學，在20世紀的100年中，化學合成和分離了2285萬種新物質(zhì)、新藥物、新材料、新分子以滿足人類生活和高新技術發(fā)展的需要，沒有哪一門其它科學能像化學那樣，創(chuàng)造出如此眾多的新物質(zhì)，在合成化學領域共獲得41項諾貝爾獎。如果沒有合成各種抗生素和大量新藥物的技術，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；如果沒有合成纖維、合成塑料、合成橡膠的技術，人類生活要受到很大影響；信息技術的核心是集成電路芯片，是采用的化學制備的硅單晶片生產(chǎn)的，計算機的存儲器等其它部件用了大量的化學合成材料；特別是如果沒有哈勃發(fā)明的高壓合成氨技術和以后的合成尿素技術，世界糧食產(chǎn)量至少要減半，哈勃也因此獲諾貝爾獎。此后，C博施改進了哈勃流程也獲諾貝爾獎。所以國外傳媒把哈勃流程評為20世紀最重大的發(fā)明。1,合成化學難題-化學反應理論建立嚴格徹底的微觀化學反應理論,是21世紀化學應該解決的第一個難題。如何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

3、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。應該說，目前的一些理論方法對描述復雜化學體系還有困難。因此，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，是21世紀化學應該解決的第一個難題。對于這一世紀難題，應予首先研究的課題有：（1）充分了解若干個重要的典型的化學反應的機理，以便設計最好的催化劑，實現(xiàn)在最溫和的條件進行反應，控制反應的方向和手性，發(fā)現(xiàn)新的

4、反應類型，新的反應試劑。（2）在搞清楚光合作用和生物固氮機理的基礎上，設計催化劑和反應途徑，以便打斷CO2,N2等穩(wěn)定分子中的惰性化學鍵。（3）研究其它各種酶催化反應的機理。酶對化學反應的加速可達100億倍，專一性達100%。如何模擬天然酶，制造人工催化劑，是化學家面臨的重大難題。（4）充分了解分子的電子、振動、轉(zhuǎn)動能級，用特定頻率的光脈沖來打斷選定的化學鍵一一選鍵化學的理論和實驗技術。2 .材料化學難題如何確立結(jié)構(gòu)和性能的定量關系？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、化學和功能性質(zhì)以及生物和生理活性等。這是21世紀化學的第二個重大理論難

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）進一步完善原子價和化學鍵理論，特別是無機化學中的共價問題。（5）生物大分子的一級結(jié)構(gòu)如何決定高級結(jié)構(gòu)？高級結(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)的關系。（7）摻雜晶體的結(jié)構(gòu)和性能的關系。（8）各種維數(shù)的空腔結(jié)構(gòu)和復雜分子體系的構(gòu)筑原理和規(guī)律。（9）如何設計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量級，但還遠未達到金屬-金屬鍵的強度，所以增加金

6、屬材料強度的潛力是很大的。以上各方面是化學的第二根本問題，其迫切性可能比第一問題更大，因為它是解決分子設計和實用問題的關鍵。3 .生命化學難題-生命現(xiàn)象的化學機理生命過程包含許多化學反應，所以生命活動的過程，可以用也必須用化學過程來理解。如何揭示生命現(xiàn)象的化學機理？充分認識和徹底了解人類和生物的生命運動的化學機理，無疑是21世紀化學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理，這是藥物設計的基礎。（2）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(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閉。這些方法使得研

7、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究它們的功能，為開創(chuàng)化學蛋白質(zhì)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。（3）搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊等食草動物胃內(nèi)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。（4）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(jié)構(gòu)和功能將是21世紀的腦科學、生物學、化學、物理學、信息和認知科學等交叉學科共同來解決的難題。（5）了解活體內(nèi)信息分子的運動規(guī)律和生理調(diào)控的化學機理。（6）了解從化學進化到手性和生命起源的飛躍過程。（7）如何實現(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）,跨越從化學進化到生物進化的鴻溝。（8）研究復雜、開放、非平衡的生命系統(tǒng)的熱力學，耗散和混沌狀態(tài)，分形現(xiàn)象等非線形科學問題。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能關系的基本規(guī)律是21世紀的化學和物理需要解決的重大難題之一?，F(xiàn)在中美日等國都把納米科學技術定為優(yōu)先發(fā)展的國家目標。錢學森先生說，繼信息科學之后，納米科學技術可能引起新一輪的產(chǎn)業(yè)革命。在復雜性科學和物質(zhì)多樣性研究中，尺度效應至關重要。尺度的不同，常常引起主要相互作用力的不同，導致物質(zhì)性能及其運動規(guī)律

9、和原理的質(zhì)的區(qū)別。納米尺度體系的熱力學性質(zhì)，包括相變和“集體現(xiàn)象”如鐵磁性，鐵電性，超導性和熔點等與粒子尺度有重要的關系。當尺度在十分之幾到10納米的量級，正處于量子尺度和經(jīng)典尺度的模糊邊界中，此時熱運動的漲落和布朗運動將起重要的作用。例如金的熔點為1063C,納米金(5-10nm)的融化溫度卻降至330C。銀的熔點為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50100年的努力，解決了化學的四大難題，我們不難設想我們美好的遠景：(1)在解決第一和第三難題，充分了解光合作用、固氮作用機理和催化理論的基礎上，我們可以期望實現(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上，我們可以期望得到比現(xiàn)在性能最好的合金鋼材強度大十倍，但重量輕幾倍的合成材料，使城市建筑和橋梁建設的面貌完全更新。(3)在充分了解結(jié)構(gòu)與性能關系的基礎上，我們能合成由高效、穩(wěn)定、廉價的太陽能光電轉(zhuǎn)化材料，組裝成器件。太陽投射到地球上的能量，是當前全世界能耗的一萬培。如果光電轉(zhuǎn)化效率為10%,我們只要利用0。1%的太陽能，就能滿足當前全世界能源的需要。(4)未來的化工企業(yè)將是綠色的，零排放的，原子經(jīng)濟的，物質(zhì)在內(nèi)部循環(huán)的企業(yè)。街上行走(5)在合成了廉價的可再生的儲氫材料和能轉(zhuǎn)換材料的基礎上,