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02-8-26化学学院学术讨论会

                 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


                                 徐光宪


1. 社会和青年学生对化学的质疑


《科学时报》2001年6月6日3版整版,发表了王丹红编译的,英国《自然》杂志社论:“

化学形象被与其交叉学科的成功埋没”和“化学的品牌价值”两篇文章。

王丹红的文中提到北京四中的一位中学生向诺贝尔化学奖获得者克罗托教授提问:“人们

都说21世纪是生命科学和信息科学的世纪,您能否告诉我化学有什么用,我们为什么要学

习化学呢?” 克罗托回答说:“正是因为21世纪是生命科学和信息科学的世纪,所以化

学才更为重要”。


克罗托的回答是非常简洁和巧妙的,但似乎没有解决这位中学生提出的实质问题:为什么

在生命科学和信息科学的世纪,化学更为重要呢?社会上在谈论21世纪是信息科学和生命

科学大发展的时候,很少提到化学在其中的重要作用。人们不知道化学在20世纪干了些什

么?提出“21世纪的化学何去何从?”对于这个问题,有一种回答:“化学已有200余年

的历史,是一门成熟的老科学,现在发展的前途不大了,没有什么可搞了。21世纪的化学

将在物理学与生物学的夹缝中逐渐消微”。那么化学在20世纪的100年中究竟干了些什么

工作呢?


2.20世纪的100年中,化学合成和分离了2285万种新化合物,满足了人类生活和高新技术

发展的需要,取得了空前辉煌的成就。20世纪的化学不是无所作为,而是以指数函数的加

速度向前发展的,但未获得社会应有的认同。


“化学是一门成熟的老科学”。在这句话中,“成熟”意味着,基础已很好,起点已很高

;“老”意味着,发展速度已很慢,或已走下坡路,没有什么发展前途。现在我们来看一

下,实际情况是否如此呢?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。


事实上“数理化天地生”这六门所谓“老科学”,是青春常驻的。只要地球存在,人类不

灭亡,她们也永远不会消亡的。这是因为宇宙进化有物理进化,化学进化,天体演化,地

质演变,生物进化,社会进化,人工自然进化,物质产生精神、精神反作用于物质等八个

层次。理化天地生五门科学代表了五个层次,而数学则是研究八个层次中抽象出来“数、

形和系统”的最普遍的规律,逻辑最严格、应用最广泛的科学。所以数理化天地生这六门

传统科学是永葆青春,不会消亡的。


3.20世纪发明了七大技术,最重要的是信息技术、化学合成技术和生物技术


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。上述六大

技术如果缺少一二个,人类照样生存。但如没有发明合成氨、合成尿素和第一、第二、第

三代新农药的技术,世界粮食产量至少要减半,60亿人口有30亿要饿死。没有发明合成各

种抗生素和大量新药物的技术,人类平均寿命要缩短25年。没有发明合成纤维、合成橡胶

、合成塑料的技术,人类生活要受到很大影响。没有合成大量新分子和新材料的化学工业

技术,上述六大技术根本无法实现。这些都是无可争辩的事实。


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

(Haber Process) 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。


4.用什么标准来确定我们时代的特征


科学技术是第一生产力,时代的特征是由这个时代的最重大的技术发明决定的。要看哪一

个最重大的发明彻底改变了人类的生活方式和世界经济的发展。例如瓦特在1781年发明蒸

气机,彻底改变了人类手工劳动的方式,首先引起英国、随后延伸到全世界的工业革命,

使18世纪末到19世纪成为蒸气机或工业革命时代。不久,一系列关于电的发明,又使19世

纪成为电气时代。到了20世纪,最重大的两项发明是信息技术和合成化学技术,所以从1

980-2030这50年,理应称为信息技术和化学合成技术的时代,要到2030年以后才能称为

生物技术时代,因为目前生物技术的实际应用范围和产业规模还比较小,远远不及信息产

业和合成化工产业。


5.化学是一门社会迫切需要的中心科学,她与生命、材料等八大朝阳科学都有非常密切

的联系,产生了许多重要的交叉学科,但化学作为中心学科的形象反而被其交叉学科的巨

大成就所埋没。


(1)化学是一门承上启下的中心科学。

(2)化学又是一门社会迫切需要的中心科学,化学与人们的生活有非常紧密的联系。

(3)化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大朝阳科学(

Sun-rise sciences)都有紧密的联系、交叉和渗透的中心科学。


化学与八大朝阳科学之间产生了许多重要的交叉学科,但化学家非常谦虚,在交叉学科中

放弃冠名权。例如“生物化学”被称为“分子生物学”,“生物大分子的结构化学”被称

为“结构生物学”,“生物大分子的物理化学”被称为“生物物理学”,“固体化学”被

称为“凝聚态物理学”,溶液理论、胶体化学被称为“软物质物理学”,量子化学被称为

“原子分子物理学”等。

又如人类基因计划之所以能大

大加快速度,是由于分析化学提供了多通道毛细管电泳的分离技术,和激光诱导荧光监测

方法。DNA测序实际上是分析化学和分离化学的问题,但社会上只知道基因学,看不到化

学家在其中有什么作用。再如分子晶体管、分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机

等都是化学家开始探索而且正在研究的,但开创这方面研究的化学家却不提出“化学器件

学”这一新名词,而微电子学专家马上看出这些研究的发展远景,并称之为“分子电子学

”。


又如化学家合成了巴基球碳-60,于1996年被授予诺贝尔化学奖,后来化学家又做了大量

研究工作,合成了碳纳米管。但是许多由这一发明所带来的研究被人们当作应用物理学或

纳米科学的贡献。


内行人知道分子生物学正是生物化学的发展。在这个交叉领域里化学家与生物学家共同作

战,把科学推向前进。但在中学生或外行看来,“分子生物学”中“化学”一词消失了,

觉得化学的领域越来越小,几乎要在生物学与物理学的夹缝中消亡。


这样化学这门重要的中心科学(Central science)反而被社会看作是伴娘科学(Brides

maid science)而不受重视。世界著名的《自然》杂志也为化学家鸣不平,发表了社论。

但化学家仍然很谦虚,居然不喊不叫也不抱怨。化学家的谦虚本是美德,但因此吸引不到

优秀的年轻学生,这个问题就大了。


6.化学有没有理论?


有人说:“化学没有理论,只是一堆白菜,21世纪的化学没有什么可搞的了”。这也是化

学不被认同的理由之一。对于这个问题,我国著名化学家唐敖庆院士有很好的回答。他说

:“19世纪的化学有三大理论成就(1)经典原子分子论,包括建筑在定比、倍比和当量

定律基础上的道尔顿原子论,和以碳4价及开库勒等的工作为中心内容的分子结构和原子

价理论。(2)门捷列夫的化学元素周期律(3)C.M.古尔德贝格和P.瓦格提出的化学反应

的质量作用定律,是宏观化学反应动力学的基础。


道尔顿的原子论和门捷列夫的化学元素周期律对于20世纪物理学家玻尔建立原子的壳层结

构模型,具有十分重要的借鉴作用。所以化学和物理这两个姐妹学科是互相促进的。

20世纪的化学也有三大理论成就:


(1)化学热力学,可以判断化学反应的方向,提出化学平衡和相平衡理论。到了50年代

以后,由于美国国家标准局的努力,和石油研究院(API)地支持,数以百万计的化合物

的热力学和热化学数据被测定和计算出来,编成手册,供大家查用,使得我们可以预见化

学反应的可能性,为合成化学指出了方向。数以万计的相图被绘制出来,为物相和功能材

料设计提供了依据。


(2)量子化学和化学键理论,以及结构和性能关系的初步规律。这对设计合成具有优良

性能的化合物是至关重要的。化学键理论像一根红线,把数以千万计的化合物串连起来,

使它们井然有序,服从化学家的指挥。化学键理论对于现代分子生物学的建立,是功不可

没的。例如量子化学家鲍林提出的氢键理论和蛋白质分子的螺旋结构模型,为1953年沃生

和克里克提出DNA分子的双螺旋模型奠定了基础,后者又为破解遗传密码奠定基础,从而

创建了现代生物学。所以化学与生物学也是互相促进的。


(3)上世纪开展的大量化学动力学的研究和60年代发展起来的分子反应动态学,特别是

催化理论的发展和计算机设计合成方法的推广,大大推动了合成化学。


这些理论大致是在上世纪40年代以后建立或加快发展的。这就可以解释为什么20世纪上半

叶合成化学的进展很慢,要经过45年才把已知化合物的数目从55万翻一番到110万。但在

下半叶三大化学理论确立以后,化学就以指数函数的加速度发展了,从1945年的110万到

1999年底的2340万。这就是实验与理论相互结合的结果。所以,“化学没有理论,只是一

堆白菜”的说法是站不住脚的。


到了21世纪,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。物理学提出了五大理论难题:(1)四种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世纪的生物学也有重大难题和奋斗

目标:(1)后基因组学、蛋白质组学和人类疾病的消除(2)脑科学(3)生物如何进化

?生命如何起源等。


但化学家又比较谦虚,好像没有人明确提出哪些是化学要解决的世纪难题。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。其实化学家心目中是有自已的奋斗

目标的,只是不愿多说。但这又造成“化学无理论”的错误印象。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?下面试对这

一问题,作一初步探讨,希望大家指正。


7. 21世纪化学的四大难题


7.1。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

含时多体量子理论和统计理论。


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。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。H.艾林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虽然非常有用,

但却是不彻底的半经验理论。近年来发展了含时Hartree-Fock 方法,含时密度泛函理论

方法,以酉群相干态为基础的电子-原子核运动方程理论,波包动力学理论等。但目前这

些理论方法对描述复杂化学体系还有困难。


所以建立严格彻底的微观化学反应理论,既要从初始原理出发(From first principle),

又要巧妙地采取近似方法,使之能解决实际问题,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。


    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。  

                      

7.2  化学的第二根本规律--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.孔恩从理论上证明一

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。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

挑战材料强度极限的大难题。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。


7.3.化学的第三世纪难题: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。


7.4  化学的第四世纪难题: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。 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(Collective 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10630C,纳米金(5-10nm)的融化温度却降至330

0C。银的熔点为960.30C,而纳米银(5-10nm)为1000C。


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,如量子隧穿效应,量子相干效应等。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

6000C 降至室温。


又如电子或声子的特征散射长度,即平均自由程 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。


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,对化学的研发(

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。


8 .21世纪的化学不但要认识世界、改造世界,而且还要保护世界


化学家缺少品牌意识,没有在社会上树立化学的美好品牌。化学与化工被认为是污染源,

这也是中学生不愿报考大学化学专业的原因之一。其实,造成环境污染的不仅仅是化学,

更重要的是森林破坏,水土流失,沙漠化和沙尘暴,汽车尾气排放,煤燃烧,还有微电子

工业等。而分析、监测、治理环境污染的正是化学家。化学家已提出绿色化学的奋斗目标

。化学家不但要认识世界、改造世界,还要保护世界。


9. 解决了四大化学世纪难题后的美好前景


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。 


 从上面的讨论可以看出,20世纪的化学取得了辉煌成就,21世纪的化学发展前程远大,

期待社会对化学的重要性给予应有的认同,希望有更多的优秀年轻学生选择化学专业,共

同迎接化学的黄金时代,实现我们人类美好的远景。




签名档

希望我的学生们都拥有这样的品质:

坚强、豁达、向上、乐观、诚实、富有爱心

希望自己也是这样的。

发表于2008-09-17 10:22:28

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