化學(xué)中的前沿科學(xué)

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化學(xué)中的前沿科學(xué)將成為化學(xué)工關(guān)注的焦點。綜述了90年頭的化學(xué)研究前沿領(lǐng)域和在這一根基上進展起來的新世紀(jì)的化學(xué)科學(xué)所包含的八個層次的物質(zhì)研究對象。

化學(xué)前沿科學(xué)研究對象

化學(xué)科學(xué)是研究原子、分子片、分子、超分子、生物大分子到分子的各種不同尺度和不同繁雜程度的聚集態(tài)的合成回響、分開和分析、布局形態(tài)、物理性能和生物活性及其規(guī)律和應(yīng)用的科學(xué)。隨著新世紀(jì)腳步的不斷加快，作為物質(zhì)科學(xué)組成之一的化學(xué)科學(xué)將愈來愈引起世界各國的關(guān)注。化學(xué)中的前沿科學(xué)也將成為化學(xué)工關(guān)注的焦點。

從確定意義上講，科學(xué)論文的發(fā)表是科學(xué)成果被人們供認(rèn)的唯一形式。確定頻次的引用反映了某篇論文重要性的程度，超高頻次的引用，常可認(rèn)為其研究成果引發(fā)了科學(xué)研究的熱點或在科學(xué)研究中取得突破。因此，近期化學(xué)科研論文的引用處境也表達了化學(xué)學(xué)科前沿的科學(xué)研究成果，以及當(dāng)前國際化學(xué)前沿的特點和變化趨勢和研究方向。據(jù)中科院文獻情報中心的報道，90年頭的化學(xué)研究前沿領(lǐng)域有：

（1）富勒烯C60的研究導(dǎo)致察覺了自然界一類新的物質(zhì)——碳的另一種存在形式，并對宇宙內(nèi)碳循環(huán)和經(jīng)典芳香性的關(guān)系這一理論化學(xué)的關(guān)鍵問題有了全新的熟悉，開發(fā)了新的化學(xué)研究領(lǐng)域。

（2）模擬程序和密度泛函理論的進展引起整個化學(xué)領(lǐng)域的革命，使量子化學(xué)成為成千上萬化學(xué)家手中的工具，可用以預(yù)料和表明物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。

（3）對不同管徑和纏繞角的單壁碳納米管的布局和導(dǎo)電性質(zhì)的研究表示了單壁碳納米管在納米分子電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

（4）人工合成新藥的進展：自然抗癌藥物的人工合成以及用以開發(fā)新藥的組合化學(xué)方法。

（5）組合化學(xué)新研究領(lǐng)域的進展打破了傳統(tǒng)藥物開發(fā)的模式，可同時合成和篩選大批生物活性物質(zhì)，大大縮短了新藥開發(fā)的時間。組合化學(xué)技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于催化劑的篩選、手性化合物合成等材料科學(xué)領(lǐng)域。

（6）仿生聚合物是一種先進材料，它的人工合成向模仿機體功能的“目標(biāo)”邁進了一步。

（7）分析化學(xué)在這一階段已不再僅僅是化學(xué)家手中的工具，它已進展為一門分析科學(xué)。它一方面為人們供給關(guān)于物質(zhì)，更加是構(gòu)成生命的根本物質(zhì)的組成和布局甚至生命過程的信息；另一方面，在細致分析儀器本身的研制上不斷獲得進展。

（8）計算機技術(shù)的飛速進展使化學(xué)家的研究手段產(chǎn)生巨大變革。有關(guān)生物大分子（如蛋白質(zhì)、核酸）多維布局圖像實現(xiàn)和精細布局表達的程序及軟件包的研究受到化學(xué)界的極大關(guān)注。

（9）有機回響、不對稱合成及催化是90年頭以來的持續(xù)熱點。這是一個有工業(yè)應(yīng)用前景和巨大市場潛力的、一向很活躍的研究領(lǐng)域。

在體驗了20世紀(jì)的空前昌盛進展后，進入21世紀(jì)，化學(xué)學(xué)科面臨著四大難題。第一，合成化學(xué)難題——化學(xué)回響理論；其次，功能布局化學(xué)難題——布局和性能的定量關(guān)系；第三，生命現(xiàn)象的化學(xué)機制——生命化學(xué)難題；第四，納米尺度難題。徐光憲院士等科學(xué)家認(rèn)為21世紀(jì)是信息科學(xué)、合成化學(xué)和生命科學(xué)共同昌盛的世紀(jì)，化學(xué)的微觀方法和宏觀方法相互結(jié)合，相互滲透這一潮流將進一步向前進展，并提出了新世紀(jì)的化學(xué)科學(xué)包含了對以下八個層次的物質(zhì)對象的研究：

（1）原子層次的化學(xué)：其中包括核化學(xué)、放射化學(xué)、同位素化學(xué)、sp區(qū)元素化學(xué)、d區(qū)元素化學(xué)、4p區(qū)元素化學(xué)、5f區(qū)元素化學(xué)、超5f區(qū)元素化學(xué)、單原子操縱和檢測化學(xué)等。

（2）分子層次的化學(xué)：現(xiàn)已合成的2000余萬種分子和化合物，通常分為無機、有機和高分子化合物。但近30余年來合成的眾多化合物，如金屬有機化合物、元素有機化合物、原子簇化合物、金屬酶、金屬硫蛋白、富勒烯、團簇、配位高分子等很難適應(yīng)老的分類法。21世紀(jì)將研究分子的多元分類法，如按照分子片結(jié)合方式和生成的分子布局類型分類，可分為0維、1維、2維、3維分子等。

（3）分子片層次的化學(xué)：原子只有110余種，但分子數(shù)目已超過2000萬種，因此有必要在原子和分子之間引入一個“分子片”的新層次，在21世紀(jì)理應(yīng)開展分子片化學(xué)的研究。

（4）超分子層次的化學(xué)：其中包括受體和給體的化學(xué)、鎖和鑰匙的化學(xué)、分子間的非共價作用力、范德華引力、各種不同類型的氫鍵、疏水-疏水基團相互作用、疏水-親水基團相互作用、親水-親水基團相互作用、分子的聚積組裝、位阻和各種空間效應(yīng)等。

（5）宏觀聚集態(tài)化學(xué)：其中包括固體化學(xué)、晶體化學(xué)、非晶態(tài)化學(xué)、流體和溶液化學(xué)、等離子體化學(xué)、膠體化學(xué)和界面化學(xué)等。

（6）介觀聚集態(tài)化學(xué)：包括納米化學(xué)、微乳化學(xué)、溶膠-凝膠化學(xué)、軟物質(zhì)化學(xué)、膠團-膠束化學(xué)和氣溶膠化學(xué)等。

（7）生物分子層次的化學(xué)：包括生物化學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、酶化學(xué)、腦化學(xué)、神經(jīng)化學(xué)、基團化學(xué)、生命調(diào)控化學(xué)、藥物化學(xué)、手性化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、生命起源、認(rèn)知化學(xué)和從生物分子到分子生物的飛躍等。

（8）繁雜分子體系的化學(xué)。從以上分類可以看出，新世紀(jì)化學(xué)中更加值得關(guān)注的有化學(xué)信息學(xué)、分子片化學(xué)、超分子化學(xué)、生命化學(xué)、納米化學(xué)、理論化學(xué)和繁雜分子體系的化學(xué)等。

隨著化學(xué)分支學(xué)科的重組及其它學(xué)科的交錯、融合和不斷滲透，21世紀(jì)初化學(xué)學(xué)科的前沿方向與優(yōu)先領(lǐng)域有：綠色化學(xué)