我國化學發(fā)展前景

化學是一門實用的學科，它與數(shù)學、物理學等學科共同成為當代自然科學迅猛發(fā)展的基礎。化學的核心知識已經(jīng)應用于自然科學的方方面面，與其它學科相輔相成，構成了創(chuàng)造自然、改造自然的強大力量。
化學在我國成為一門重要的學科，已是不爭的事實。我國從事化學研究的科研機構有近千個，大學的化學系(院)有250多個，石油與石油化工企業(yè)有80多萬家，加上其他化學化工和相關行業(yè)，我國參與化學研究與工作的人員隊伍，其規(guī)模是國際上少有的。這正是我國化學科學發(fā)展的背景和動力。
當前，我國所面臨的挑戰(zhàn)有人口控制問題、健康問題、環(huán)境問題、能源問題、資源與可持續(xù)發(fā)展問題等，化學家們希望從化學的角度，通過化學方法解決其中的問題，為我國的發(fā)展和民族的振興作出更大的貢獻。隨著國家對農(nóng)業(yè)科學研究的重視，農(nóng)業(yè)和食品中的化學問題研究，已經(jīng)引起越來越多化學工作者的關注。
隨著新世紀的到來，上述研究所涉及到的若干基本化學問題及交叉學科將成為21世紀我國化學研究的新方向，成為我國化學家有所作為的突破點。
1 若干化學基本問題
1.1 反應過程與控制
化學的中心是化學反應。雖然人們對化學反應的許多問題已有比較深刻的認識，但還有更多的問題尚不清楚。化學鍵究竟是如何斷裂和重組的?分子是怎樣吸收能量的?并是怎樣在分子內(nèi)激發(fā)化學鍵達到特定的反應狀態(tài)的?這一系列屬于反應動力學的問題都有待回答，其研究成果對有效控制反應十分重要。
復雜體系的化學動力學、非穩(wěn)態(tài)粒子的動力學、超快的物化過程的實時探測和調(diào)控以及極端條件下的物理化學過程都已經(jīng)成為重要的研究方向。向生命學習，研究生命過程中的各種化學反應和調(diào)控機制，正成為探索反應控制的重要途徑，真正在分子水平上揭示化學反應的實質(zhì)及規(guī)律將指日可待。
1.2 合成化學
未來化學發(fā)展的基礎是合成化學的發(fā)展，21世紀合成化學將進一步向高效率和高選擇性發(fā)展。新方法、新反應以及新試劑仍將會是未來合成化學研究的熱點。手性合成與技術將越來越受到人們的重視。各類催化合成研究將會有更大進展。化學家也將更多地利用細胞來進行物質(zhì)的合成，并且相信隨著生物工程研究的進展，通過生物系統(tǒng)合成我們所需要的化合物之目的能夠很快實現(xiàn)，這些將使合成化學呈現(xiàn)出嶄新的局面。仿生合成也是一個一直頗受人們關注的熱點，該方面的研究進展將產(chǎn)生高效的模擬酶催化劑，它們將對合成化學產(chǎn)生重要影響。
1.3 基于能量轉換的化學反應
太陽能的光電轉換雖早已用于衛(wèi)星，但大規(guī)模、大功率的光電轉換材料的化學研究則開始不久。太陽能光解水產(chǎn)生氫燃料的研究，已經(jīng)受到更大的重視，其中催化劑和高效儲氫材料是目前研究最多的課題。值得特別提出的是，關于植物光合反應研究已經(jīng)取得了一定的突破，燃料電池的研究也已在一些單位展開并取得進展。隨著石油資源的近于枯竭，近年來對燃燒過程的研究又重新被提到日程上來。細致了解燃燒的機制，不僅是推動化學發(fā)展的需要，也是充分利用自然資源的關鍵，我國現(xiàn)階段注重研究催化新理論和新技術，包括手性催化和酶催化等。
1.4 新反應途徑與綠色化學
我國現(xiàn)階段研究，一方面注意降低各種工業(yè)過程的廢物排放、排放廢料的凈化處理和環(huán)境污染的治理，另一方面重視開發(fā)那些低污染或無污染的產(chǎn)品和過程。因此，化學家不但要追求高效率和高選擇性，而且還要追求反應過程的“綠色化”。這種“綠色化學”將促使21世紀化學發(fā)生重大變化。它要求化學反應符合“原子經(jīng)濟性”，即反應產(chǎn)率高，副產(chǎn)物少，而且耗能低，節(jié)省原材料，同時還要求反應條件溫和，所用化學原料，化學試劑和反應介質(zhì)以及所生成產(chǎn)物均無毒無害或低毒低害，與環(huán)境友善。毫無疑問，研究不排出任何廢物的化學反應(原子經(jīng)濟性)，對解決地球的環(huán)境污染具有重大意義，高效催化合成、以水為介質(zhì)、以超臨界二氧化碳為介質(zhì)的反應研究將會有大的發(fā)展。
1.5 設計反應
綜合結構研究、分子設計、合成、性能研究的成果以及計算機技術，是創(chuàng)造特定性能物質(zhì)或材料的有效途徑。分子團簇，原子、分子聚集體，已經(jīng)在我國研究多年。目前這些研究正在深入，并與現(xiàn)代計算機技術、生物、醫(yī)學等研究相結合，以獲得多角度、多層次的研究結果。21世紀的化學家將更加普遍地利用計算機幫助進行反應設計，人們有望讓計算機按照優(yōu)秀化學家的思想方式去思考，讓計算機評估浩如煙海的已知反應，從而選擇最佳合成路線制得預想的目的化合物。
1.6 納米化學與單分子化學
從化學或物理學的角度來看，納米級的(10-9米)微粒，其性能由于表面原子或分子所占的比例超乎尋常地大而變得不同尋常。研究其特殊的光學、電學、催化性質(zhì)以及特別的量子效應已受到重視。納米化學的研究進展將大大促進納米材料的研究與應用。
另一方面，借助STM/AFM和光鑷等技術進行單分子化學的研究，將能觀察在單分子層次上的許多不同于宏觀的新現(xiàn)象和特異效應，對這些新現(xiàn)象和新效應的揭示可能會導致一些科學問題的突破。
1.7 復雜體系的組成、結構與功能間關系研究
21世紀的化學不僅要面對簡單體系，還要面對包括生命體系在內(nèi)的復雜系統(tǒng)。因此，除了研究分子的成鍵和斷鍵，即研究離子鍵和共價鍵那樣的強作用力之外，化學還必須考慮復雜體系中的弱相互作用力，如氫鍵、范德華力等等。雖然它們的作用力較弱，但由此卻組裝成分子聚集體和分子互補體系。這種超分子體系常常具有全新的性能，或者可使通常無法進行的反應得以進行。基于分子識別觀點進行設計、合成及組建新的、有各種功能的分子、超分子及納米材料，將是未來一段時間中化學的重要研究內(nèi)容。而深入研究控制分子的各種作用力，研究它們的本質(zhì)并深刻了解分子識別，是一個頗具重大意義也是一個充滿挑戰(zhàn)的課題。研究分子、分子聚集體的結構以及納米微粒與各種物理化學性質(zhì)的關系，特別是分子電子學的研究在21世紀初將會有較大的進展。
1.8 物質(zhì)的表征、鑒定與測試方法
研究反應、設計合成、探討生命過程、工業(yè)過程控制、商品檢驗等等，都離不開對物質(zhì)的表征、測試、組成與含量測定等。能否發(fā)展和建立適合于原子、分子、分子聚集體等不同層次的表征、鑒定與測定方法，特別是痕量物質(zhì)的測定方法，將成為制約化學發(fā)展的一大關鍵。
可以說，上述研究方向的轉變，成為20世紀末、21世紀初我國化學發(fā)展的一個顯著特點，并將由此引發(fā)這一學科自身在各個層次上的變革，同時帶動和促進其它學科與技術的共同繁榮和發(fā)展。
2 學科的滲透與交叉
化學向其它學科的滲透趨勢在21世紀將會更加明顯。更多的化學工作者會投身到研究生命、研究材料的隊伍中去，并在化學與生物學、化學與材料的交叉領域大有作為。化學必將為解決基因組工程、蛋白質(zhì)組工程中的問題以及理解大腦的功能和記憶的本質(zhì)等重大科學問題做出巨大的貢獻。
化學的發(fā)展已經(jīng)、并也將會進一步帶動和促進其它相關學科的發(fā)展，同時其它學科的發(fā)展和技術的進步也會反過來推動化學本身的不斷前進。化學家已經(jīng)能夠研究單分子中的電子過程與能量轉移過程，探討分子間的作用力和電子的運動。化學家不但能夠描述慢過程，亦能跟蹤超快過程，而這些研究將有助化學家在更深層次揭示物質(zhì)的性質(zhì)及物質(zhì)變化的規(guī)律。化學家還不斷地汲取數(shù)學、物理學和其它學科中發(fā)展的新理論和新方法，非線性理論和混沌理論等將對多元復雜體系的研究產(chǎn)生影響。比如，隨著計算機技術的發(fā)展，化學學科與數(shù)學方法、計算機技術的結合，形成了化學計量學，以此實現(xiàn)了用計算機模擬化學過程。運用量子力學方法處理分子結構與性能的關系，按照預定性能要求設計新型分子，應用數(shù)學方法和計算機確定新型分子的合成路線，使“分子設計”突破了傳統(tǒng)的合成方法，化學家開始擺脫純經(jīng)驗的摸索，為材料科學開辟了新的方向。綠色化學、組合化學、能源化學、天體與地球化學、化學芯片的開發(fā)與應用等等，都是化學與其它學科交叉、融合的結果，這些交叉領域的研究也將是21世紀化學領域研究的亮點。
化學研究的深入，還將帶動我國儀器儀表工業(yè)發(fā)展。因為儀器儀表既是一個很大的行業(yè)，也是一個國家發(fā)達與否的標志之一。我國過去曾忽視對儀器研制，導致了分析儀器依賴進口的局面。經(jīng)過我國科學界和工業(yè)界等的共同努力，2010年我們將看到自己研制、生產(chǎn)的分析及測試儀器如：微型氣相色譜儀、新型毛細管電泳儀、電化學傳感器，還可能出現(xiàn)多功能組合儀器、智能型色譜等，我國的儀器儀表工業(yè)將進入一個蓬勃發(fā)展的時期。
3 化學對國民生活質(zhì)量的影響
我國人口在下世紀上半葉將達到16億，保持我國農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展是我們面臨的艱巨任務。農(nóng)業(yè)發(fā)展的首要問題是保證全民族的食物安全和提高食物品質(zhì)；其次是保護并改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，為農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展奠定基礎。化學將在創(chuàng)制高效肥料和高效農(nóng)藥、特別是與環(huán)境友善的生物肥料和生物農(nóng)藥，以及開發(fā)新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料諸方面發(fā)揮巨大作用。我國化學家還將在克服和治理土地荒漠化、干旱及鹽堿地等農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)問題方面作出應有的貢獻。科學家利用各種最先進的手段，有望揭示光合系統(tǒng)高效吸能、傳能和轉能的分子機理及調(diào)控，建立反應中心能量轉化的動力學模型和能量高效傳遞的理論模型，從而達到高效利用光能為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)服務之目的。
21世紀化學將在控制人口數(shù)量、克服疾病和提高人的生存質(zhì)量等人口與健康諸方面進一步發(fā)揮重大作用。未來的10年中，化學工作者將會發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造更安全和高效的避孕藥。在攻克高死亡率和高致殘的心腦血管病、腫瘤、高血脂和糖尿病以及艾滋病等疾病的進展中，化學工作者將不斷創(chuàng)制包括基因療法在內(nèi)的新藥物和新方法。此外，由于人口高速老齡化，老年病在下世紀初會成為影響我國人口生存質(zhì)量的主要問題之一。化學將會在揭示老年病機理、開發(fā)和創(chuàng)制診斷和治療老年性疾病藥物和提高老年人的生活質(zhì)量方面作出貢獻。相信在下世紀初，我國化學家和藥物化學家在針對腫瘤和神經(jīng)系統(tǒng)等重要疾病的創(chuàng)新藥物研究中，發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化數(shù)個新藥候選化合物，建立具有自主知識產(chǎn)權的新藥產(chǎn)業(yè)。中藥是我國的寶貴遺產(chǎn)，化學研究將在揭示中藥的有效成份、揭示多組份藥物的協(xié)同作用機理方面發(fā)揮巨大作用，從而加速中醫(yī)藥走向世界，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，成為我國經(jīng)濟新的增長點。
4 化學對國民經(jīng)濟的支撐作用
化學將會在解決能源這一人類面臨的重大問題方面做出貢獻。目前我國的經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定增長，使能源開發(fā)利用面臨需求增大和環(huán)境污染的雙重壓力。而能源利用效率低，環(huán)境污染嚴重是我國亟待解決的重要問題。發(fā)展新能源及其儲能材料在受到化學家的重視同時，也引起政府部門的關注，科學研究和產(chǎn)業(yè)化研究正相伴而行。我國化學家可望在未來幾年里創(chuàng)制和開發(fā)出多種新型催化劑，使我國的煤、天然氣和煤層氣的綜合優(yōu)化利用取得優(yōu)異成績，從而減緩我國的能源緊張和環(huán)境污染的壓力。21世紀我國核能利用將進一步發(fā)展，而化學研究涉及到核能生產(chǎn)的各個方面，化學工作者必將為我國核能的安全利用做出應有的貢獻。此外，化學家在大規(guī)模、大功率的光電轉換材料方面的探索研究將導致太陽能的開發(fā)利用。而化學家從事的新燃料電池及催化劑的研究可能在21世紀初出現(xiàn)突破，電動汽車將向實用化邁出一大步，這將改變?nèi)祟惸茉聪M的方式，同時提高人類生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量。
展望21世紀我國的材料科學與工業(yè)的發(fā)展，化學必將發(fā)揮關鍵作用。首先，化學將不斷提高基礎材料如鋼鐵、水泥和通用有機高分子材料及復合材料的質(zhì)量與性能；其次，化學工作者將創(chuàng)造各類新材料，如電子信息材料、生物醫(yī)用材料、新型能源材料、生態(tài)環(huán)境材料和航天航空材料等，化學工作者將利用各種先進技術，在原子、分子及分子鏈尺度上對材料組織結構進行設計、控制及制造。特別要指出的是，晶體材料的設計理論和方法研究，是我國化學發(fā)展的一個重要且富有成效的領域，在21世紀它將會有更大的發(fā)展，一些有價值的具有新功能的晶體和大尺寸的新型非線性光學晶體、重要激光晶體、閃爍晶體及鐵電陶瓷晶體研究將達到實用和開發(fā)水平。另一方面，我國是世界稀土資源大國，總儲量占世界的80%，產(chǎn)量占世界的70%，然而其中一大半是以資源或初級產(chǎn)品方式出口國外，這種局面在未來的幾年中將轉變，我國化學家在2010年前將在稀土分離理論和高純稀土分離、新型稀土磁學材料、發(fā)光材料等方面的研究中，取得一批具有國際領先水平、明確應用前景和獨創(chuàng)性的基礎研究成果和具有自主產(chǎn)權的重大關鍵技術，使我國的資源優(yōu)勢轉化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。
在這世紀之交，展望未來10年化學事業(yè)的發(fā)展和化學對人類生活的影響，我們充滿信心，亦倍感興奮。化學是無限的，化學是至關重要的，它將幫助我們解決21世紀所面臨的一系列問題，化學將迎來她的黃金時代!

標簽：發(fā)展前景化學如何