[理论]　21世纪的四大化学难题 ！

　　对于这一世纪难题，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——选键化学的理论和实验技术。

如何确立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。这是21世纪化学的第二个重大理论难题。

　　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-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，但还远未达到金属-金属键的强度，所以增加金属材料强度的潜力是很大的。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和实用问题的关键。

　　如何揭示生命现象的化学机理？

　　充分认识和彻底了解人类和生物的生命运动的化学机理，无疑是21世纪化学亟待解决的重大难题之一。

　　例如：(1)研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理，这是药物设计的基础。(2)化学遗传学为哈佛大学化学教授Schreiber所创建。他的小组合成某些小分子，使之与蛋白质结合，并改变蛋白质的功能，例如使某些蛋白酶的功能关闭。这些方法使得研究者们不通过改变产生某一蛋白质的基因密码就可以研究它们的功能，为开创化学蛋白质组学，化学基因组学(与生物学家以改变基因密码来研究的方法不同)奠定基础。(3)搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、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起源的飞跃过程。(7)如何实现从生物分子(biomolecules)到分子生命(molecular life)的飞跃？如何制造活的分子(Make life)，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。

如何揭示纳米尺度的基本规律

　　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。

　　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。钱学森先生说，继信息科学之后，纳米科学技术可能引起新一轮的产业革命。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”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(5-10nm)的融化温度却降至330℃。银的熔点为960.3℃，而纳米银(5-10nm)为100℃。

　　四大难题破解后的美好前景

　　经过50-100年的努力，如果解决了我这里提出的化学四大难题，不难设想我们美好的远景：

　　(1)在解决第一和第三难题，充分了解光合作用、固氮作用机理和催化理论的基础上，我们可以期望实现农业的工业化，在工厂中生产粮食和蛋白质，大大缩减宝贵的耕地面积，使地球能养活人口的数目成倍增加。

　　(2)在解决第二和第四难题的基础上，我们可以期望得到比现在性能最好的合金钢材强度大十倍，但重量轻几倍的合成材料，使城市建筑和桥梁建设的面貌完全更新。

　　(3)在充分了解结构与性能关系的基础上，我们能合成出高效、稳定、廉价的太阳能光电转化材料，组装成器件。太阳投射到地球上的能量，是当前全世界能耗的一万倍。如果光电转化效率为10%，我们只要利用0.1%的太阳能，就能满足当前全世界能源的需要。

　　(4)未来的化工企业将是绿色的，零排放的，原子经济的，物质在内部循环的企业。

　　(5)在合成了廉价的可再生的储氢材料和能转换材料的基础上，街上行走的汽车将全部是零排放的电动汽车。我们穿的将是空调衣服。

　　(6)海水淡化将成为重要工业，从而解决人类生存最严重的挑战----淡水资源紧缺问题。

科学家所提出来的这四大难题,对搞化学科研的工作者无疑是个很好的启示,大家都来说一说各自的见解吧......

学科进展与展望：《中国科学基金》2002年第2期　

21世纪的化学是研究泛分子的科学　

徐光宪 中国科学院院士

(北京大学化学学院稀土材料化学及应用国家重点实验室，北京100871)　

［摘要］本文提出21世纪化学的定义,内涵,六大发展趋势,四大难题和11个突破口,以及20世纪化学的一些被忽视的重要盲点。

［关键词］21世纪的化学,定义,发展趋势,难题,突破口,盲点　

我的专业是化学,我从学化学,教化学,到研究化学已有几十年了,可是现在我却有点搞不清楚化学的定义了。我深深感到科学的发展太快了,需要对本门科学重新认识,重新定位。这是我进入21世纪首先要关注的问题。

1一门科学的定义至少有三个属性：

1.1整体和局部性

科学是一个复杂的知识体系，好比一块蛋糕。为了便于研究，要把它切成大、中、小块。首先切成自然科学、技术科学和社会科学三大块。在自然科学中，又有许多切法。一种传统的切法是分成数理化天地生等一级学科。近来又有切成物质科学、生命科学、地球科学、信息科学、材料科学、能源科学、生态环境科学、纳米科学、认知科学，系统科学等的分类法。化学是从科学整体中分割开来的一个局部，它和整体必然有千丝万缕的联系, 所以学科之间的交叉和相互渗透是必然的趋势。这是它的第一属性。

1.2发展性

化学的内涵随时代前进而改变。在19世纪，恩格斯认为化学是原子的科学（参见《自然辩证法》），因为化学是研究化学变化，即改变原子的组合和排布，而原子本身不变的科学。到了20世纪，人们认为化学是研究分子的科学，因为在这100年中，在《美国化学文摘》上登录的天然和人工合成的分子和化合物的数目已从1900年的55万种，增加到1999年年底的2340万种。 没有别的科学能象化学那样制造出如此众多的新分子、新物质。现在世纪之交，我们大家深深地感受到化学的研究对象和研究内容大大扩充了，研究方法大大深化和延伸了，所以21世纪的化学是研究泛分子的科学。

1.3定义的多维性

一门科学的定义，按照从简单到详细的程度可以分为：(1)一维定义或X定义，X是指研究的对象。(2)二维定义或XY定义。Y是指研究的内容。(3)三维定义或XYZ定义。Z是指研究方法。(4)四维定义或WXYZ定义，W是指研究的目的。(5)多维定义或全息定义。一门科学的全息定义还要说明它的发展趋势、与其他科学群的交叉、世纪难题和突破口等等。这样才能对这门科学有全面的了解。下面以化学为例加以说明。

2 21世纪化学的定义和内涵

2.1 化学的一维定义

21世纪的化学是研究泛分子的科学。泛分子的名词是仿照泛太平洋会议(Pan Pacific Conference), 泛美航空公司(Pan American Air Line)等提出的。泛分子是泛指21世纪化学的研究对象。它可以分为以下10个层次：

（1）原子层次棗例如近来受到重视的碱金属原子的Bose-Einstein凝聚态。

（2）分子片层次棗分子片是指组成分子的碎片，例如［1，2］：一价分子片：CH3, OH,Mn(CO)5, Co(CO)4，二价分子片：CH2,NH,Fe(CO)4,Ru(PR3)4，三价分子片：CH,Co(CO)3, NiCp等。

（3）结构单元层次棗例如芳香化合物的母核，高聚物的单体，蛋白质的氨基酸，DNA的A,C,G,T。 高级结构单元，如蛋白质的αhelix,βsheet等。

（4）分子层次棗研究分子层次的问题有如分子周期律，单分子光谱，单分子监测和控制，分子的激发态，吸附态等。

（5）超分子层次棗超分子是二个分子通过非共价键的分子间作用力结合起来的物质微粒。例如环糊精［γ-CD］是一个分子，形似花盆 ,它的尺度略大于C60的直径，可以把C60包进去，生成1:1和2:1的超分子。艾滋病毒HIV是一个生物大分子，其活性部位，形似环糊精，大小与C60十分接近，它们可以形成超分子。因此，C60可以抑制艾滋病毒HIV。环糊精分子还可作为主体，把其它小分子包在里面，又可作为客体，插入Zr(HPO4)2(H2O)晶体的结构层之间，组装成复杂的超分子体系。

（6）高分子层次。

（7）生物分子(biomolecules)层次。

（8）纳米分子和纳米聚集体层次棗例如碳纳米管、纳米金属、微乳、胶束、反胶束、气溶胶、纳米微孔结构、纳米厚度的膜、固体表面的有序膜、单分子分散膜等。

（9）原子和分子的宏观聚集体层次棗固体、液体、气体、等离子体、溶液、熔融体、胶体、表面、界面等。

（10）复杂分子体系及其组装体的层次：(ⅰ)复合和杂化分子材料。(ⅱ) 分子器件，例如在金丝尖端装上经过巯基化修饰的单层碳纳米管（SWCNT），可以作为M的针尖。又如分子导线、分子开关、分子探针、分子芯片、分子晶体管等。(ⅲ)分子机器，如分子马达在UV光下，能通过4种同分异构体进行旋转，又如分子计算机等。(ⅳ) 宏观组装器件如燃料电池，太阳能电池等。

2.2 化学的二维定义

化学是研究X对象的Y内容的科学。具体地说，就是：化学是研究原子、分子片、结构单元、分子、高分子、原子分子团簇、原子分子的激发态、过度态、吸附态、超分子、生物大分子、分子和原子的各种不同维数、不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态，直到分子材料、分子器件和分子机器的合成和反应，制备、剪裁和组装，分离和分析，结构和构象，粒度和形貌，物理和化学性能，生理和生物活性及其输运和调控的作用机制，以及上述各方面的规律，相互关系和应用的自然科学。

2.3化学的三维定义

化学是用Z方法研究X对象的Y内容的科学。化学的研究方法和它的研究对象及研究内容一样，也是随时代的前进而发展的。在19世纪，化学主要是实验的科学，它的研究方法主要是实验方法。到了20世纪下半叶，随着量子化学在化学中的应用，化学不再是纯粹的实验科学了，它的研究方法有实验和理论。现在21世纪又将增加第三种方法，即计算机模拟的方法。

2.4 化学的四维定义

化学是用Z方法研究X对象的Y内容以达到W目的的科学。化学的目的和其它科学技术一样是认识世界和改造世界，但现在应该增加一个“保护世界”。化学和化学工业在保护世界而不是破坏地球这一伟大任务中要发挥特别重要的作用。造成污染的传统化学向绿色化学的转变是必然的趋势。21世纪的化工企业的信条是五个“为了”和五个“关心”（Five“care”and five “for”）：（1）为了社会而关心环保（Environmental care for the society）；（2）为了职工而关心安全、健康和福利（Safetycare for the employee）；（3）为了顾客而关心质量、声誉和商标（Qualitycare for the customers）；（4）为了发展而关心创新（Innovation-care for the development）；（5）为了股东而关心效益（Profit-care for the stockholders）