发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Lixueyuan
标 题: 21世纪的化学是研究泛分子的科学4
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri May 2 13:01:41 2003) , 转信
4 21世纪化学的四大难题（中长期）
科学研究始于提出问题。 科学问题的提出、确认和解决是科学发展的动力。20世纪最
伟
大的数学家Hilbert 在1900年提出23个数学难题。每一个难题的解决，就诞生一位世界著
名
的数学家。现在2000年世界数学家协会提出七大数学难题，筹集了700万美元，悬赏100万
美
元给每一个难题的解决者。
21世纪物理学的难题：(1) 四个作用力场的统一问题，相对论和量子力学的统一问题。
(
2) 对称性破缺问题。(3) 占宇宙总质量90%的暗物质是什么的问题。(4) 黑洞和类星体问
题
。(5) 夸克禁闭问题等。
21世纪生物学的重大难题是后基因组学、蛋白质组学、脑科学、生命起源等。
2000年中国科学院化学部和国家自然科学基金委员会化学部组织编写了《展望21世纪的
化
学》［7］，对20世纪化学的成就作了很好的总结，对21世纪近期（10?0年）化学的发展提
出
很好的展望。最近MIT化学系主任S.Lippard教授在广泛征求美国化学同行的基础上提出基
础
化学的22个新前沿领域［8］。
由此可见，中外化学家都在展望21世纪化学的发展，但似乎还没有提出化学应在21世纪
解
决的重大难题。 这样与物理学和生物学相比，就会显得化学没有什么伟大的目标了。这是
近
年来在世界范围内出现的淡化化学的思潮的主观原因之一。那么化学果真提不出重大难题
吗
？下面不揣冒昧，试对这一问题，作一初步探讨，希望大家指正。如能抛砖引玉，引起大
家
的讨论，然后由中国化学会组织化学界来共同讨论21世纪化学的难题，这对21世纪化学的
发
展十分有利。
4.1 化学的第一根本规律棗化学反应理论和定律
化学是研究化学变化的科学，所以化学反应理论和定律是化学的第一根本规律。化学和
化
学变化的本质是若干原子核和电子之间的电磁相互作用，与强、弱、引力相互作用的关系
比
较小，暂时可以不考虑。这种相互作用的根本规律是量子力学。薛定鄂第一方程可以解决
定
态分子结构、化学键理论和分子间的相互作用问题。薛定鄂第二方程是包含时间的方程，
可
以解决原子或分子从某一定态到另一定态的跃迁几率问题，从而建立光谱跃迁理论。
但量子力学没有给出严格的化学反应速率的基本方程。H.Eyring的绝对反应速度理论是
建
筑在过渡态、活化能和统计力学基础上的半经验理论。过渡态、活化能和势能面等都是根
据
不含时间的薛定鄂第一方程来计算的。所谓反应途径是按照势能面的最低点来描绘的。这
一
理论和提出的新概念是非常有用的，但却是不彻底的半经验理论。
19世纪C.M.古尔德贝格和P.瓦格提出的质量作用定律，是最重要的化学定律之一，但它
是
经验的、宏观的定律。20世纪在宏观化学动力学与微观分子反应动态学方面，有很大发展
。
例如Semenov发展了链式反应理论，M.Eigen提出了驰豫法研究快速的化学反应，李远哲和
He
rschbach用交叉分子束研究态态反应等。但离开彻底了解化学反应的规律，还有很大的距
离
。所以严格的彻底的微观的化学反应理论，包括决定某两个或几个分子之间能否发生化学
反
应？能否生成预期的分子？需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应？如何在理论指导
下
控制化学反应？如何计算化学反应的速率？如何确定化学反应的途径等，是21世纪化学应
该
解决的第一个难题。
在化学反应理论中特别重要，应予首先研究的课题有：（1）充分了解若干个重要的典
型
的化学反应的机理，以便设计最好的催化剂，实现在最温和的条件进行反应，控制反应的
方
向和手性，发现新的反应类型，新的反应试剂。（2）在搞清楚光合作用和生物固氮机理的
基
础上，设计催化剂和反应途径，以便打断CO2, N2等稳定分子中的惰性化学键。（3）研究
其
它各种酶催化反应的机理。酶对化学反应的加速可达100亿倍，专一性达100%。如何模拟天
然
筑在过渡态、活化能和统计力学基础上的半经验理论。过渡态、活化能和势能面等都是根
据
不含时间的薛定鄂第一方程来计算的。所谓反应途径是按照势能面的最低点来描绘的。这
一
理论和提出的新概念是非常有用的，但却是不彻底的半经验理论。
19世纪C.M.古尔德贝格和P.瓦格提出的质量作用定律，是最重要的化学定律之一，但它
是
经验的、宏观的定律。20世纪在宏观化学动力学与微观分子反应动态学方面，有很大发展
。
例如Semenov发展了链式反应理论，M.Eigen提出了驰豫法研究快速的化学反应，李远哲和
He
rschbach用交叉分子束研究态态反应等。但离开彻底了解化学反应的规律，还有很大的距
离
。所以严格的彻底的微观的化学反应理论，包括决定某两个或几个分子之间能否发生化学
反
应？能否生成预期的分子？需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应？如何在理论指导
下
控制化学反应？如何计算化学反应的速率？如何确定化学反应的途径等，是21世纪化学应
该
解决的第一个难题。
在化学反应理论中特别重要，应予首先研究的课题有：（1）充分了解若干个重要的典
型
的化学反应的机理，以便设计最好的催化剂，实现在最温和的条件进行反应，控制反应的
方
向和手性，发现新的反应类型，新的反应试剂。（2）在搞清楚光合作用和生物固氮机理的
基
础上，设计催化剂和反应途径，以便打断CO2, N2等稳定分子中的惰性化学键。（3）研究
其
它各种酶催化反应的机理。酶对化学反应的加速可达100亿倍，专一性达100%。如何模拟天
然
酶，制造人工催化剂，是化学家面临的重大难题。（4）充分了解分子的电子、振动、转动
能
级，用特定频率的光脉冲来打断选定的化学键棗选键化学的理论和实验技术。
4.2 化学的第二根本规律棗结构和性能的定量关系
这里“结构”和“性能”是广义的，前者包含构型、构象、手性、粒度、形状和形貌等
，
后者包含物理、化学和功能性质以及生物和生理活性等。虽然W.Kohn从理论上证明一个分
子
的电子云密度可以决定它的所有性质，但实际计算困难很多，现在对结构和性能的定量关
系
的了解，还远远不够。所以这是21世纪化学的第二个重大难题。
要优先研究的课题有：（1）分子和分子间的非共价键的相互作用的本质和规律。（2）
超
分子结构的类型，生成和调控的规律。（3）给体棗受体作用原理。（4）进一步完善原子
价
和化学键理论，特别是无机化学中的共价问题。（5）生物大分子的一级结构如何决定高级
结
构？高级结构又如何决定生物和生理活性？（6）分子自由基的稳定性和结构的关系。（7
）
掺杂晶体的结构和性能的关系 。（8）各种维数的空腔结构和复杂分子体系的构筑原理和
规
律。（9）如何设计合成具有人们期望的某种性能的材料？（10）如何使宏观材料达到微观
化
学键的强度？例如“金属胡须”的抗拉强度比通常的金属丝大一个量级，但比金属-金属键
的
强度小得多。又如目前高分子纤维达到的强度要比高分子中的共价键的强度小两个数量级
。
这就向人们提出如何挑战极限的大难题。（11）镧系理论棗4f电子的能级比sp区和d区元素
的
能级多一个量级，所以稀土元素有十分丰富的光、电、磁、声等功能性质。稀土化合物的
配
位数可在3?2的宽广范围内变化，所以稀土元素有机化合物是很好的催化剂。稀土是21世纪
的
战略元素。研究镧系元素的结构和性能关系具有十分重要的意义。以上各方面是化学的第
二
根本问题，其迫切性可能比第一问题更大，因为它是解决分子设计问题的关键。
4.3 纳米尺度的基本规律
现在中美日等国都把纳米科学技术定为优先发展的国家目标。在复杂性科学和物质多样
性
研究中，尺度效应至关重要。尺度的不同，常常引起主要相互作用力的不同，导致物质性
能
及其运动规律和原理的质的区别。纳米尺度体系的热力学性质，包括相变和“集体现象（
Co
llective phenomena)”如铁磁性，铁电性，超导性和熔点等与粒子尺度有重要的关系。当
尺
度在十分之几到10纳米的量级，正处于量子尺度和经典尺度的模糊边界(fuzzy boundary)
中
，此时热运动的涨落和布朗运动将起重要的作用。例如金的熔点为1063℃，纳米金的融化
温
度却降至330℃。银的熔点为960.3℃，而纳米银为100℃。当代信息技术的发展，推动了纳
米
尺度磁性(Nanoscale magnetism)的研究。由几十个到几百个原子组成的分子磁体表示出许
多
特性，如tunneling,quantun coherance, thermoinduced spin crossover transition
s
。
纳米粒子的比表面很大，由此引起性质的不同。例如纳米铂黑催化剂可使乙烯催化反应的
温
度从600℃降至室温。又如电子或声子的特征散射长度，即平均自由途径 在纳米量级。当
纳
米微粒的尺度小于此平均自由途径时，电流或热的传递方式就发生质的改变。所以纳米分
子
和材料的结构与性能关系的基本规律是21世纪的化学和物理需要解决的重大难题之一。
4.4 活分子运动的基本规律
充分认识和彻底了解人类和生物体内活分子(living molecules)的运动规律，无疑是2
1
世
纪化学亟待解决的重大难题之一。例如：（1）配体小分子和受体生物大分子的相互作用，
这
是药物设计的基础（2）在地球元素的生态循环中，植物界做了两件伟大的事：其一，利用
太
阳能把很稳定的CO2和H2O分子的化学键打开，合成碳水化合物［CH2O］n，并放出氧气O2，
供
人类和其它动物使用。在这个伟大的过程中，活分子催化剂叶绿素是怎样作用的？其二，
豆
科植物的根瘤菌能打开非常稳定的氮分子中的化学键，生成含氮小分子，再进一步合成蛋
白
质和核酸。我们必须把这两个过程的全部反应机理搞清楚，然后研究能否在化学工厂中，
在
温和的条件下，实现这两个伟大的催化反应。（3）搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如
何
把植物纤维分解为小分子的反应机理，为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。
（
4）人类的大脑是用“泛分子”组装成的最精巧的计算机。如何彻底了解大脑的结构和功能
将
是21世纪的脑科学、生物学、化学、物理学、信息和认知科学等交叉学科共同来解决的难
题
。（5）了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理。（6）了解从化学进化到
手
性和生命的起源。（7）如何实现从生物分子到分子生物(molecular life)的飞跃？如何跨
越
从化学进化到生物进化的鸿沟?（8）研究复杂、开放、非平衡的生命系统的热力学，耗散
和
混沌状态，分形现象等非线形科学问题。
由此可见，21世纪的化学是有伟大的目标和难题，需要我们去解决的。与物理学相比，
物
理的难题偏重于认识世界。研究物理学的难题，需要超高能加速器和航天飞机上的磁谱仪
等
大型科学工程为基础，是我国国力难以承受的。而21世纪化学的重大难题和突破口则偏重
于
改造世界和保护世界，有更现实的目标，不需要大型科学工程的支持，对化学的R&D投入，
通
常有较高的回报率。21世纪是生物学大发展的世纪，但现代生物学是建筑在分子水平上的
生
物学，所以对化学难题的研究和解决和解决生物学难题是互相促进的。如果淡化化学的重
要
性， 减少化学的科学研究投入，在大学中吸引不到优秀的中学生来考化学专业，那么对国
民
经济和生命科学的发展都是十分不利的。
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