世紀(jì)四大化學(xué)難題

1、21 世紀(jì)四大化學(xué)難題到了 21 世紀(jì)，數(shù)學(xué)界、物理學(xué)界和生物學(xué)界都相繼提出了各自領(lǐng)域的重大難題或奮斗目標(biāo)。 但在化學(xué)界，一直沒有人明確提出哪些是化學(xué)要解決的世紀(jì)難題。近年來(lái)，在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了淡化化學(xué)的思潮。那么化學(xué)界果真提不出重大難題嗎？有人對(duì)這一問題，提出 21 世紀(jì)的四大化學(xué)難題供大家一起探討。如何建立精確有效而 又普遍適 用的化學(xué) 反應(yīng)的含時(shí) 多體量 子理論和統(tǒng) 計(jì)理論？化學(xué)是研究化學(xué)變化的科學(xué)， 所以化學(xué)反應(yīng)理論和定律是化學(xué)的第一根本規(guī)律。應(yīng)該說(shuō)，目前的一些理論方法對(duì)描述復(fù)雜化學(xué)體系還有困難。因此，建立嚴(yán)格徹底的微觀化學(xué)反應(yīng)理論，既要從初始原理出發(fā)，又要巧妙地采取近似方法，使之能解

2、決實(shí)際問題， 包括決定某兩個(gè)或幾個(gè)分子之間能否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)？能否生成預(yù)期的分子？需要什么催化劑才能在溫和條件下進(jìn)行反應(yīng)？如何在理論指導(dǎo)下控制化學(xué)反應(yīng)？如何計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的速率？如何確定化學(xué)反應(yīng)的途徑等，是 21 世紀(jì)化學(xué)應(yīng)該解決的第一個(gè)難題。對(duì)于這一世紀(jì)難題，應(yīng)予首先研究的課題有： (1) 充分了解若干個(gè)重要的典型的化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理， 以便設(shè)計(jì)最好的催化劑， 實(shí)現(xiàn)在最溫和的條件進(jìn)行反應(yīng)，控制反應(yīng)的方向和手性，發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)類型，新的反應(yīng)試劑。(2) 在搞清楚光合作用和生物固氮機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)催化劑和反應(yīng)途徑，以便打斷 CO 2 , N 2 等穩(wěn)定分子中的惰性化學(xué)鍵。 (3) 研究其它各種酶催化反應(yīng)

3、的機(jī)理。酶對(duì)化學(xué)反應(yīng)的加速可達(dá) 100 億倍，專一性達(dá) 100% 。如何模擬天然酶，制造人工催化劑，是化學(xué)家面臨的重大難題。 (4)充分了解分子的電子、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，用特定頻率的光脈沖來(lái)打斷選定的化學(xué)鍵 選鍵化學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。如何確立結(jié)構(gòu)和性能的定量關(guān)系？這里 “結(jié)構(gòu) ”和“性能 ”是廣義的，前者包含構(gòu)型、構(gòu)象、手性、粒度、形狀和形貌等，后者包含物理、化學(xué)和功能性質(zhì)以及生物和生理活性等。這是 21 世紀(jì)化學(xué)的第二個(gè)重大理論難題。要優(yōu)先研究的課題有： (1) 分子和分子間的非共價(jià)鍵的相互作用的本質(zhì)和規(guī)律。 (2) 超分子結(jié)構(gòu)的類型，生成和調(diào)控的規(guī)律。 (3)給體 -受體作用原理。 (4)進(jìn)

4、一步完善原子價(jià)和化學(xué)鍵理論，特別是無(wú)機(jī)化學(xué)中的共價(jià)問題。 (5) 生物大分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)如何決定高級(jí)結(jié)構(gòu)？高級(jí)結(jié)構(gòu)又如何決定生物和生理活性？ (6) 分子自由基的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 (7)摻雜晶體的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。 (8)各種維數(shù)的空腔結(jié)構(gòu)和復(fù)雜分子體系的構(gòu)筑原理和規(guī)律。 (9) 如何設(shè)計(jì)合成具有人們期望的某種性能的材料？ (10)如何使宏觀材料達(dá)到微觀化學(xué)鍵的強(qiáng)度？例如 “金屬胡須 ”的抗拉強(qiáng)度比通常的金屬絲大一個(gè)量級(jí)，但還遠(yuǎn)未達(dá)到金屬 -金屬鍵的強(qiáng)度，所以增加金屬材料強(qiáng)度的潛力是很大的。 以上各方面是化學(xué)的第二根本問題， 其迫切性可能比第一問題更大，因?yàn)樗墙鉀Q分子設(shè)計(jì)和實(shí)用問題的關(guān)鍵。

5、如何揭示生命現(xiàn)象的化學(xué)機(jī)理？充分認(rèn)識(shí)和徹底了解人類和生物的生命運(yùn)動(dòng)的化學(xué)機(jī)理，無(wú)疑是21 世紀(jì)化學(xué)亟待解決的重大難題之一。例如：(1) 研究配體小分子和受體生物大分子相互作用的機(jī)理，這是藥物設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 (2) 化學(xué)遺傳學(xué)為哈佛大學(xué)化學(xué)教授 Schreiber 所創(chuàng)建。他的小組合成某些小分子，使之與蛋白質(zhì)結(jié)合， 并改變蛋白質(zhì)的功能， 例如使某些蛋白酶的功能關(guān)閉。 這些方法使得研究者們不通過(guò)改變產(chǎn)生某一蛋白質(zhì)的基因密碼就可以研究它們的功能， 為開創(chuàng)化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)，化學(xué)基因組學(xué) (與生物學(xué)家以改變基因密碼來(lái)研究的方法不同 )奠定基礎(chǔ)。 (3)搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊等食草動(dòng)物胃內(nèi)酶

6、分子如何把植物纖維分解為小分子的反應(yīng)機(jī)理， 為充分利用自然界豐富的植物纖維資源打下基礎(chǔ)。 (4) 人類的大腦是用 “泛分子 ”組裝成的最精巧的計(jì)算機(jī)。 如何徹底了解大腦的結(jié)構(gòu)和功能將是 21 世紀(jì)的腦科學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、信息和認(rèn)知科學(xué)等交叉學(xué)科共同來(lái)解決的難題。 (5)了解活體內(nèi)信息分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和生理調(diào)控的化學(xué)機(jī)理。 (6) 了解從化學(xué)進(jìn)化到手性和生命起源的飛躍過(guò)程。 (7)如何實(shí)現(xiàn)從生物分子 (biomolecules) 到分子生命 (molecular life) 的飛躍？如何制造活的分子 (Make life) ，跨越從化學(xué)進(jìn)化到生物進(jìn)化的鴻溝。 (8) 研究復(fù)雜、開放、非平衡

7、的生命系統(tǒng)的熱力學(xué)， 耗散和混沌狀態(tài)，分形現(xiàn)象等非線形科學(xué)問題。如何揭示納米尺度的基本規(guī)律 ?納米分子和材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的基本規(guī)律是 21 世紀(jì)的化學(xué)和物理需要解決的重大難題之一?，F(xiàn)在中美日等國(guó)都把納米科學(xué)技術(shù)定為優(yōu)先發(fā)展的國(guó)家目標(biāo)。 錢學(xué)森先生說(shuō)， 繼信息科學(xué)之后， 納米科學(xué)技術(shù)可能引起新一輪的產(chǎn)業(yè)革命。 在復(fù)雜性科學(xué)和物質(zhì)多樣性研究中， 尺度效應(yīng)至關(guān)重要。尺度的不同， 常常引起主要相互作用力的不同， 導(dǎo)致物質(zhì)性能及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和原理的質(zhì)的區(qū)別。納米尺度體系的熱力學(xué)性質(zhì)，包括相變和“集體現(xiàn)象 ”如鐵磁性，鐵電性，超導(dǎo)性和熔點(diǎn)等與粒子尺度有重要的關(guān)系。當(dāng)尺度在十分之幾到10 納米的量級(jí)，正處

8、于量子尺度和經(jīng)典尺度的模糊邊界中，此時(shí)熱運(yùn)動(dòng)的漲落和布朗運(yùn)動(dòng)將起重要的作用。例如金的熔點(diǎn)為1063 ，納米金 (5-10nm) 的融化溫度卻降至330 。銀的熔點(diǎn)為 960.3 ，而納米銀 (5-10nm) 為 100 。四大難題破解后的美好前景經(jīng)過(guò) 50-100 年的努力，如果解決了我這里提出的化學(xué)四大難題，不難設(shè)想我們美好的遠(yuǎn)景： (1) 在解決第一和第三難題，充分了解光合作用、固氮作用機(jī)理和催化理論的基礎(chǔ)上， 我們可以期望實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的工業(yè)化， 在工廠中生產(chǎn)糧食和蛋白質(zhì)，大大縮減寶貴的耕地面積，使地球能養(yǎng)活人口的數(shù)目成倍增加。 (2) 在解決第二和第四難題的基礎(chǔ)上， 我們可以期望得到比現(xiàn)在性能最好的合金鋼材強(qiáng)度大十倍，但重量輕幾倍的合成材料，使城市建筑和橋梁建設(shè)的面貌完全更新。(3) 在充分了解結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的基礎(chǔ)上，我們能合成出高效、穩(wěn)定、廉價(jià)的太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化材料， 組裝成器件。 太陽(yáng)投射到地球上的能量， 是當(dāng)前全世界能耗的一萬(wàn)倍。如果光電轉(zhuǎn)化效率為 10% ，我們只要利用 0.1% 的太陽(yáng)能，就能滿足當(dāng)前全世界能源的需要。 (4)未來(lái)的