21世纪化学发展战略20104_1_

胡满成 2010年10月 21世纪化学发展战略 20世纪化学学科的贡献21世纪化学四大难题及展望21世纪化学发展战略思考21世纪化学的11个突破口 20世纪化学学科的贡献 ThescientificICONSofthetwentiethcenturyweretheatomicbombandthegeneticcode20世纪科学发展的标志是原子弹的发现和遗传密码的破解 美国化学家StephenJlippard 1998年在探讨化学的未来25年时有一段精彩的讲话 化学最重要的是制造新物质 化学不但研究自然界的本质 而且创造出新分子 新催化剂以及具有特殊反应性的新化合物 化学学科通过合成优美而对称的分子 赋予人们创造的艺术 化学以新方式重排原子的能力 赋予我们从事创造性劳动的机会 而这正是其它学科不能媲美的 北京大学徐光宪院士在 20世纪的化学取得了空前辉煌的成就 期望得到社会应有的认同 一文中指出 化学的核心是合成化学 是以人工合成或从自然界分离出新物质供人类需要为中心任务的 因此化学的成就可用合成或分离出的新物质的数量和质量 重要性和用途 来衡量 1900年在 美国化学文摘 CA 上登录的 从天然产物中分离出来并确定其组成的 和人工合成的已知化合物只有55万种 经过45年翻了一番 到1945年达到110万种 再经过25年 又翻一番 到1970年为236 7万种 以后新化合物增长的速度大大加快 每隔10年翻一番 到1999年12月31日已达2340万种 所以在这100年中 化学合成和分离了2285万种新物质 新药物 新材料 新分子来满足人类生活和高新技术发展的需要 从上面的数字还可以看出 化学的起点并不高 在1900年前的历史长河中 人们只知道55万种化合物 到1970年也不过237万种 但在最后的30年中 这个数目翻了十番 达到2340万种 所以当代化学发展的速度是非常快的 是以指数函数的加速度向前发展的 没有一门其它科学能像化学那样在过去的100年中 创造出如此众多的新物质 化学在20世纪的最后30年中以指数函数发展的高速度 可以和信息科学 生命科学相媲美 化学在20世纪的成就用 空前辉煌 来描述 是并不过分的 但 化学家太谦虚 这句话是 自然 杂志在2001年的评论中说的 不会向社会宣传化学与化工对社会的重要贡献 因此20世纪化学取得的辉煌成就 并未获得社会应有的认可 化學學科的聲譽在惡化恐怖威脅環境污染化學武器 报刊上常说20世纪发明了六大技术 1 包括无线电 半导体 芯片 集成电路 计算机 通讯和网络等的信息技术 2 基因重组 克隆和生物芯片等生物技术 3 核科学和核武器技术 4 航空航天和导弹技术 5 激光技术 6 纳米技术 但却很少有人提到包括新药物 新材料 高分子 化肥和农药的化学合成和分离技术 实际上 六大重大进展中缺少任何一项 人类照样能够生存 但如果缺少了化学合成技术 ChemicalSyntheticTechnology 人类的生存和发展将是难以想象的 2005年世界粮食计划署总干事莫里斯提醒人们 截止到世界粮食日 10月16日 全世界在当年已有6 241 512人死于饥饿和饥饿引起的疾病 在近几十年的进步之后 长期处于饥饿状态之中的人口总数又开始攀升了 昔日的饥饿与今天的丰收景象形成鲜明的对照 1909年 德国化学家哈伯成功地建立了每小时能产生80克氨的装置 他也因此获得了1918年的诺贝尔化学奖 当今世界上有1 3的粮食产量直接来源于施用化学肥料所导致的增产 这意味着 如果没有化肥工业 在20世纪 全世界有20亿人会因饥饿而丧生 化学农药在防治病虫害 保护人类生存环境中发挥着重要作用 2004年11月17日 成群结队的蝗虫从埃及首都开罗上空飞过 化学纤维 化学合成药物的发展 使得许多不治之症得以治愈 使人们的寿命延长了将近1倍 并大大改善了人类的生存质量 但化学和化工界非常谦虚 从来不提抗议 我们应该理直气壮地大力宣传20世纪发明了七大技术 即化学合成 包括分离 技术和上述六大技术 这七大技术发明可以按照人类需要的迫切性 和由它们衍生的产业规模及其对世界经济影响的大小来排序 1 从人类对七大技术发明的需要迫切性来看 化学合成和分离技术应当排名第一 已如前述 因为它是人类生存的绝对需要 没有它世界上一半的人口要饿死 它还为其余六大技术发明提供了不可或缺的物质基础 国外传媒把两次获得诺贝尔奖的哈勃合成氨技术 HaberProcess 评为20世纪第一个重大发明 是很有道理的 排名第二的是信息技术 第三是生物技术 以下依次是航空航天技术 核技术 纳米技术和激光技术 也许有人会问汽车产业不是比飞机还重要吗 但第一辆内燃机汽车是德国工程师奔驰在1886年发明的 所以汽车 火车 炼钢等都是19世纪发明的重大技术 而合成氨技术是哈勃 Haber 在1909年发明 在1918年因而获得诺贝尔化学奖 C 博施改进了高压合成氨的催化方法 又于1931年获诺贝尔奖 高分子合成技术是20世纪50年代发展起来的 新药物 新材料的合成更是近50年的事 因此合成化学技术是属于20世纪的重大发明 2 从20世纪的七大技术发明衍生的产业规模及其对世界经济的影响来看 排名次序如下 第一是信息产业 第二是由化学合成和分离技术衍生的石油化工 精细化工 高分子化工和药物 农药工业等产业 以及从空气中分离氧气和氮气 从电解水中分离出氢气 作为电动汽车的燃料 为解决将来水资源缺少的海水淡化产业等 第三是飞机 航天 人造卫星及导弹产业 第四是核电站和核工业 这四个产业都是非常大的产业 其中在核产业中 有很大一部分是化工产业 如核燃料的前处理和后处理工业 重氢 重水工业 稀有元素冶炼工业等 又如信息产业和航空航天导弹卫星产业中 都依靠冶金 稀有元素冶炼和高分子等化学合成产业 相对于前述四大产业而言 第五生物技术产业 第六纳米技术产业和第七激光技术产业这三个现在还是小产业 其中纳米产业实际上主要是化学家发明C 60等巴基球 碳纳米管等衍生出来的合成化学产业 以及用各种方法把化学物质制成纳米尺度的合成产业 所以到目前为止 在20世纪的七大发明中 人类最迫切需要的 对人们的生活和世界经济的发展影响最大的两大发明是信息技术和合成化学技术 再过30 50年人类对生物技术需要的迫切性和生物产业的规模 才有可能超过信息技术和合成化学技术 因此 合成化学是化学学科当之无愧的核心 是化学家为改造世界创造社会未来最有力的手段 Chemistryisn teverything buteverythingisnothingwithoutchemistry化学不能代替一切 但没有化学肯定没有一切Chemistryisthefuture andnofuturewithoutchemistry化学就是未来 没有化学就没有未来 21世纪化学四大难题及展望 化学的第一根本规律 第一世纪难题 建立精确有效而又普遍适用的化学反应的量子理论和统计理论 化学的第二根本规律 结构和性能的定量关系化学的第三世纪难题 生命现象的化学机理化学的第四世纪难题 纳米尺度的基本规律 经过50 100年的努力 解决了化学的四大难题 我们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培 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 从而解决人类的水资源紧缺问题 21世纪化学发展战略思考 在过去的100多年里化学作为一门核心 实用 创造性科学 已经为人类认识物质世界和人类的文明进步做出了巨大的贡献 化学寻求结构多样性和分子多样性 合成制备了数以千万计的化学物质 发展了化学合成理论和技术 为阐明生命的起源 发现生物活性物质 新材料以及新药物的设计合成奠定了理论和实验基础 面对生命科学 材料科学 信息科学等其它学科迅猛发展的挑战和人类对认识和改造自然提出的新要求 化学在不断开拓新的研究领域和思路的同时 不断地创造出新的物质和品种来满足人民的物质文化生活 造福国家 造福人类 面对生命科学 材料科学 信息科学等其它学科迅猛发展的挑战和人类对认识和改造自然提出的新要求 化学在不断开拓新的研究领域和思路的同时 不断地创造出新的物质和品种来满足人民的物质文化生活 造福国家 造福人类 1 化学界目前存在的困惑剖析浸沉在20世纪化学所创造的辉煌之中的化学家自信在合成制备新分子新材料 控制反应过程以及获取物质的组成结构信息和构 性 效关系方面有无限的的潜力 但是 就在化学家继续抱着创造新物质 新材料为人类生存和生存质量的提高作出新的贡献的时候 他们却感觉化学的作用和地位似乎被淡化了 似乎化学从认识 控制和改变客观世界的核心科学以及引导其他学科前进的牵头学科退后了 这就是化学界目前存在的困惑 2 化学学科发展与化学分支学科重组的思考 随着科学技术的迅猛发展 化学要从传统的只注重研究原子和分子的反应和变化规律和按无机化学 有机化学 物理化学 分析化学 高分子化学来划分二级学科框框中解放出来 向整体化多层次发展 化学可以由原子层次 分子片层次 分子层次 超分子层次 多分子聚集态层次等不同层次来划分研究对象 由此形成原子层次的化学 分子片层次的化学 分子层次的化学 超分子层次的化学 宏观聚集态化学 介观聚集态化学 复杂体系的化学等 化学学科可以从研究内容和方法来划分形成新的二级学科 如合成化学 合成方法学 手性合成 模板合成等 分离化学 萃取化学 离子交换 色层分离等 分析化学 电分析化学 光和波谱分析化学 化学计量学 在线原位分析等 物理化学 化学热力学 结构化学 催化化学 表面 界面化学 超临界化学等 理论化学 计算化学 量子化学 化学统计学 非线性化学等 等 根据将现代数学 物理 信息方法融入化学 赋予化学更多的生命活力和创造力的原则 也可以从学科交叉来重新划分 如与生命科学交叉的化学生物学 与材料科学交叉的纳米 材料 化学 与资源和环境科学交叉的绿色化学 与数学 信息和生命科学交叉的化学信息学等 随之而来对化学科学的定义也有必要重新考虑即 化学是主要研究从原子 分子片 分子 超分子 到分子和原子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态的合成和反应 分离和分析 结构和形态 物理性能和生物活性及其规律和应用的自然科学 3 化学未来新发展的契机化学界普遍认为 化学正酝酿着重要进展 这是由于 1 各相关科学 主要是生物和材料科学 与化学在大量问题上相遇 化学家开始发现其中的化学基础问题 而相关学科的科学家也意识到需要解决的化学问题 2 可持续发展的战略向化学科学提出了大量化学基础问题 国民经济的需求和化学学科自身发展的需求也已经结合成为推动21世纪化学学科发展的动力 3 化学已经在理论和方法上有了相当的积累成果 但是必须把握下列几点原则 才能使化学科学有更大发展 第一 微观研究与宏观研究结合 第二 注重多层次 多尺度的研究 第三 研究要由复杂到简单 由简单到复杂 不断升华 第四 注重静态与动态 过程 研究的结合 第五 寻找其它领域中必须化学解决 而化学还未能解决的基本问题 预计21世纪科学发展的特点是各学科纵横交叉解决实际问题 即化学学科的自身继续发展和与相关学科融合发展相结合 化学学科内部的传统分支继续发展和做为整体发展相结合 研究科学基本问题与解决实际问题相结合 1997年 科技部设立了我国投入最大 级别最高的基础研究计划 国家重点基础研究发展计划 简称 973计划 973 计划的主要任务紧紧围绕农业 能源 信息 资源环境 人口与健康 材料等领域的国民经济 社会发展和科技自身发展的重大科学问题 开展多学科交叉和综合性研究 提供解决问题的理论依据和科学基础 部署相关的 重要的 探索性强的前沿基础研究 培养和造就适应21世纪发展需要的 有高科学素质 有创新能力的优秀人才 重点建设一批高水平 能承担国家重点科技任务的科学研究基地 并形成若干跨学科的综合科学研究中心 973 项目遴选的原则 要瞄准科学前沿的重大科学问题 体现学科交叉和综合 探索科学基本规律的基础性研究 国家自然科学基金重大项目2004年重大项目数几乎全部为一级学科交叉 一 核技术在分子水平上研究典型环境污染物的毒理 数理科学部 化学科学部 二 与人类健康相关的蛋白质结构和医学成像的同步辐射研究 数理科学部 生命科学部和信息科学部 三 分子固体材料的控制合成及功能性质研究 化学科学部 工程与材料科学部和数理科学部 四 聚合物凝聚态的多尺度连贯研究 化学科学部 数理科学部和工程与材料科学部 五 大型水利工程对重要生物资源长期生态学效应研究 生命科学部 地球科学部和工程与材料科学部 六 免疫识别相关的结构信息的研究 生命科学部 化学科学部 七 大豆优异基因资源发掘及其基因组研究 生命科学部 信息科学部和数理科学部 八 上层海洋 低层大气生物地球化学与物理过程耦合 地球科学部 化学科学部 九 深部岩体力学基础研究与应用 工程与材料科学部 数理科学部和地球科学部 十 新一代光学频标物理及技术的基础研究 信息科学部与数理科学部 十一 超高密度 高速光 磁混合数字信息储存研究 信息科学部 材料科学部 国家自然科学基金重大研究计划 空天飞行器的若干重大基础问题 力学 物理学 化学 数学 生物学 材料科学 工程科学 信息科学等相关基础学科交叉 前五年4000万 纳米科技基础研究重大研究计划 综合运用现代物理学 化学 生命科学 信息科学等 8 10年 前五年4000万 半导体集成化芯片系统基础研究 数学 计算机 物理 化学 生物 微机械 微电子 总经费4000万 以网络为基础的科学活动环境研究 由信息科学部 数理科学部 化学科学部 生命科学部 地球科学部 工程与材料科学部联合组织实施 几年前 英国广播公司 BBC 曾对23位世界著名科学家进行访谈 其中包括霍夫曼 米切尔 布莱克 埃德尔曼 盖尔曼 格拉肖和鲁比亚等7位诺贝尔奖得主 这些科学家深入涉及的专业或学科领域大多不只一个 最多达6个 平均达到3 3个 其中不少科学家研究的专业领域跨度极大 在极严谨的学科如数学 物理 化学和极浪漫的学科如文学 艺术等之间往复自如 由此看来 未来科学的希望在高等学校 一些国际著名的大学 如斯坦福大学 哈佛大学 普林斯顿大学 加州大学 伯克利 等近年来都投巨资成立了跨越生物学 物理学 化学等多个学科的交叉科学研究所或研究中心 集中物理学家 化学家和生物学家等不同学科专家的智慧 以促进学科的交叉和渗透 2002 中国科学院交叉学科 理论研究中心 上海交叉科学研究中心 也先后成立 2000 北京大学与北京医科大学合并 此后成立了 北京大学生物医学跨学科研究中心 Biomed XCenterofPekingUniversity 由常务副校长韩启德院士任中心主任 2001 中国科学院北京跨学科的 纳米科技研究中心 也宣告成立2003 复旦成立 先进材料研究院 2003 西安交通大学 多学科材料研究中心 著名科学家钱学森 钱三强 钱伟长曾断言21世纪初将是一个交叉科学的时代 21世纪化学的11个突破口 1新的合成方法学 例如 1 组合化学 2 手性合成 3 分子反应器控制的合成 4 自复制和自组装合成 5 定向合成 6 掌握零维笼状和杯状 一维通道 二维层间 三维网络空腔结构的合成方法 并通过化学 电场或磁场的作用 使囚禁在里面的客体分子被释放或取代出来 2纳米化学 纳米材料和分子器件 纳米表面化学 高效纳米催化剂设计合成及应用 3稀土化学特别是有我国知识产权的新型稀土功能材料 4能源科学中的化学问题 例如 1 各种高效换能器 特别是太阳能电池 2 燃料电池 3 氢能利用问题 4 各种再生能源 5生命和医药科学中的化学问题 例如 1 把中国名医的处方和人体的生理病理状态作为两个复杂体系来研究它们之间的相互作用和药效 2 用组合化学的方法来筛选特效中药 并使中药现代化 3 药物设计 合成和开发应用 4 生物材料 Biomaterials 和人工器官的合成 5 配合物小分子DNA大分子的相互作用 6 了解神经细胞和生理调控的化学机理 7 糖化学 6生态环境科学中的化学问题 例如 1 环境元素的