化學(xué)在節(jié)能減排中的作用和發(fā)展方向

【專家解說(shuō)】：1 20世紀(jì)的回顧 1．l 對(duì)科技發(fā)展的基本考慮 人類對(duì)物質(zhì)世界的利用和改造的能力逐漸提高。最初，人類活動(dòng)只為滿足生存的基本需要，后來(lái)就進(jìn)一步要求回滿足日益增長(zhǎng)的生存質(zhì)量的需要，到2O世紀(jì)后期才認(rèn)識(shí)到，要在保證生存安全的前提下提高生存質(zhì)量。在滿足人類生存、生存質(zhì)量和生存安全的要求方面，科技進(jìn)步起了巨大的推動(dòng)作用。 1．2 核心科學(xué)的作用 1．2．1 為人類進(jìn)步提供物質(zhì)基礎(chǔ) 進(jìn)入20世紀(jì)，人類開始遇到人口增長(zhǎng)、資源匱乏、環(huán)境惡化等問(wèn)題的威脅?；瘜W(xué)在解決這些問(wèn)題時(shí)具有核心科學(xué)作用。其主要表現(xiàn)在三個(gè)方的： （l）化學(xué)不但大量制造各種自然界已有的物質(zhì)，而且能夠根據(jù)人類需要?jiǎng)?chuàng)造出自然界本不存在的物質(zhì)。 （2）化學(xué)能夠提供組成分析和結(jié)構(gòu)分析手段，使我們能在分子層次上認(rèn)識(shí)天然以及合成物質(zhì)和材料的組成及結(jié)構(gòu)，掌握和解釋結(jié)構(gòu)功能的關(guān)系，從而能夠預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)和裁剪分子。 （3）化學(xué)掌握了決定化學(xué)過(guò)程的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)理論，而且能從理論上指導(dǎo)新物質(zhì)（如催化劑）和反應(yīng)新條件（如高壓、高溫、超臨界狀態(tài)）的設(shè)計(jì)及創(chuàng)造，因而能夠達(dá)到自然過(guò)程不能達(dá)到的H標(biāo)。 1．2．2 在相關(guān)學(xué)科的發(fā)展中起了牽頭作用 （ l）牽動(dòng)其它學(xué)科向分子層次發(fā)展。在 20世紀(jì)，整個(gè)自然科學(xué)領(lǐng)域中出現(xiàn)過(guò)一次大變化，即所有物質(zhì)科學(xué)都向分子層次發(fā)展。這一發(fā)展趨勢(shì)與化學(xué)的牽頭作用有關(guān)。例如，生物學(xué)從描述性科學(xué)發(fā)展成為20世紀(jì)末的前沿學(xué)科，在很大程度上依靠化學(xué)提供的理論、概念、方法，甚至試劑和材料。在化學(xué)和天文學(xué)相互促進(jìn)下，天文學(xué)進(jìn)入分子水平，并且從研究天體擴(kuò)展到星際空間，誕生了宇宙化學(xué)。 （2）化學(xué)研究帶動(dòng)其它學(xué)科的過(guò)程研究?；瘜W(xué)作為研究物質(zhì)世界各種變化的科學(xué)，使我們逐漸掌握了物質(zhì)變化的規(guī)律和各類化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上認(rèn)識(shí)化學(xué)過(guò)程；揭示自然界物質(zhì)變化的本質(zhì)。因此，化學(xué)與其它學(xué)科融合之后分化出許多研究各種化學(xué)過(guò)程的學(xué)科。 （3）化學(xué)研究帶動(dòng)了材料科學(xué)的發(fā)展。人類從利用天然材料到創(chuàng)造和利用合成材料是人類歷史卜的一大關(guān)鍵性進(jìn)步，是化學(xué)發(fā)展的里程碑。包括合成化學(xué)、高分子化學(xué)、催化化學(xué)、過(guò)程化學(xué)等。 （4）化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法學(xué)推動(dòng)其它學(xué)科在分子層次上觀察和測(cè)定物質(zhì)的變化過(guò)程?；瘜W(xué)研究不斷建立各種分析和檢測(cè)方法，檢測(cè)物質(zhì)組成、形態(tài)、結(jié)構(gòu)，分析理化性質(zhì)，推動(dòng)各個(gè)學(xué)科的發(fā)展。新測(cè)試原理和技術(shù)往往是打開新領(lǐng)域的鑰匙。例如由點(diǎn)滴分析到多孔板技術(shù)，成為生物學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)手段。其后再融入固相合成形成、組合合成技術(shù)，又推動(dòng)了大通量篩選技術(shù)的發(fā)展。 2 未來(lái)化學(xué)的地位與研究模式 2.1 未來(lái)化學(xué)的作用和地位 未來(lái)化學(xué)在人類生存、生活質(zhì)量和安全方面將以新的思路、觀念和方式發(fā)揮核心科學(xué)的作用。可概括為： （1）化學(xué)仍是解決食物短缺問(wèn)題的主要學(xué)科之一。 （2）化學(xué)在能源和資源的合理開發(fā)和高效安全利用中起關(guān)鍵作用。 （3）化學(xué)將繼續(xù)推動(dòng)材料科學(xué)發(fā)展。 （4）化學(xué)是提高人類生存質(zhì)量和生存安全的有效保障。 2．2 21世紀(jì)化學(xué)的研究模式 從對(duì)世紀(jì)初期化學(xué)發(fā)展的總趨勢(shì)看，目前化學(xué)研究應(yīng)該把握幾個(gè)原則： （l）微觀與宏觀相結(jié)合。 （2）靜態(tài)研究與動(dòng)態(tài)（過(guò)程）研究相結(jié)合． （3）復(fù)雜系統(tǒng)的簡(jiǎn)化研究與回歸復(fù)雜系統(tǒng)相結(jié)合。 普遍認(rèn)為未來(lái)化學(xué)將在與其它學(xué)科綜合研究中取得突破。這種綜合將會(huì)產(chǎn)生若干新的領(lǐng)域，是未來(lái)科學(xué)的生長(zhǎng)點(diǎn)。 我們可以提出以下幾個(gè)研究模式： （l）從實(shí)際問(wèn)題中抽出化學(xué)問(wèn)題來(lái)研究。 研究天、地、任何物質(zhì)體系的變化規(guī)律都需要化學(xué)的理論和方法。要發(fā)揮化學(xué)理論和方法的作用，在解決具體的、復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題的同時(shí)，注意從中尋找、提煉化學(xué)科學(xué)中的新問(wèn)題來(lái)研究，從而深化和豐富化學(xué)學(xué)科。 （2）吸收其它學(xué)科的新理論和新結(jié)果孕育化學(xué)生長(zhǎng)點(diǎn)。 （3）與其它學(xué)科融合開拓化學(xué)新領(lǐng)域。 由兩個(gè)或幾個(gè)不同學(xué)科的理論、概念和方法融合產(chǎn)生新的理論、概念和方法，并有可能產(chǎn)生一個(gè)新的研究領(lǐng)域，重組成一個(gè)新的學(xué)科。 （4）把握動(dòng)向和時(shí)機(jī)提出新的思路和新的研究方向。 在繼承與創(chuàng)新之間，必須把握動(dòng)向和時(shí)機(jī)，提出新的思路和新的研究方向；同時(shí)必須隨時(shí)調(diào)整研究模式，適應(yīng)學(xué)科發(fā)展和面臨的新問(wèn)題。 （5）重視化學(xué)學(xué)科的自身發(fā)展與整體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相結(jié)合。 重視化學(xué)學(xué)科的自身發(fā)展和建設(shè)，研究本學(xué)科的基本問(wèn)題，即純化學(xué)問(wèn)題。純化學(xué)研究要逐步深化，以發(fā)展化學(xué)科學(xué)的新理論、新方法。只有這樣，才能解決其它學(xué)科向化學(xué)提出的問(wèn)題。 3 相關(guān)學(xué)科中的基本化學(xué)問(wèn)題 3．l 生命科學(xué)中的基本化學(xué)問(wèn)題 生命體系中的基本化學(xué)問(wèn)題是什么？看法很不相同。有人從現(xiàn)代生命科學(xué)的前沿中尋找化學(xué)問(wèn)題；有人主張通過(guò)研究生物物質(zhì)的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系和作用機(jī)理，進(jìn)一步模擬和應(yīng)用它們；有人認(rèn)為應(yīng)該研究應(yīng)用目標(biāo)（如開發(fā)新藥）中的化學(xué)問(wèn)題。 是否可以認(rèn)為，生命科學(xué)中的基本化學(xué)問(wèn)題應(yīng)該是當(dāng)前研究生命系統(tǒng)屢屢遇到的、各種生物系統(tǒng)所共有的問(wèn)題。那么，以下幾個(gè)方面應(yīng)是主要的基本問(wèn)題。 （l）生物大分子之間、生物大分子與小分子之間的各種相互作用的規(guī)律。 （2）關(guān)于生物體系的多層次結(jié)構(gòu)（特別是分子以上細(xì)胞以下的高級(jí)結(jié)構(gòu)）與功能的關(guān)系。 （3）生命體系復(fù)雜過(guò)程的化學(xué)研究。 3．2 材料科學(xué)中的基本化學(xué)問(wèn)題 （l）分子結(jié)構(gòu)分子聚集體高級(jí)結(jié)構(gòu)-材料結(jié)構(gòu)-理化性質(zhì)-功能之間的關(guān)系，特別是定量關(guān)系。 （2）合成功能分子與構(gòu)筑高級(jí)結(jié)構(gòu)的理論和方法。 （3）分子器件的研究。 （4）仿生材料研究。 （5）智能材料研究。 3．3 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基本化學(xué)問(wèn)題——綠色化學(xué)和環(huán)境化學(xué) 可持續(xù)發(fā)展基本戰(zhàn)略包含保證人類（現(xiàn)在和未來(lái)）生存、生存質(zhì)量和生存安全三方面的內(nèi)容。其中基本化學(xué)問(wèn)題分屬于兩個(gè)學(xué)科，即環(huán)境化學(xué)和綠色化學(xué)。 環(huán)境科學(xué)向化學(xué)提出的基本問(wèn)題已經(jīng)從早期的分析監(jiān)測(cè)方法和環(huán)境治理方法轉(zhuǎn)向環(huán)境過(guò)程研究： （l）環(huán)境過(guò)程化學(xué)：環(huán)境中的化學(xué)過(guò)程的跟蹤、分析、模擬和預(yù)測(cè)。 （2）環(huán)境生物化學(xué)：研究天、地、生相互作用的基本化學(xué)反應(yīng)，特別是人和生物對(duì)外來(lái)物質(zhì)和能量所做的應(yīng)答以及人類生活生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的化學(xué)基礎(chǔ)。 綠色化學(xué)的主要化學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題是： （1）改變現(xiàn)有生產(chǎn)的化學(xué)合成路線和工藝路線，包括環(huán)境友好的原料、介質(zhì)和反應(yīng)條件及原子經(jīng)濟(jì)性，使其成為保證人類可持續(xù)發(fā)展并與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的潔凈、節(jié)能、節(jié)約的生產(chǎn)方式。 （2）用新的環(huán)境友好的、對(duì)人類和生物無(wú)害的化學(xué)品，取代現(xiàn)在使用的有害化學(xué)品；用新的工作方法代替原來(lái)的有害工作方法。 4 21世紀(jì)的發(fā)展方向 4．l 尋求結(jié)構(gòu)多樣性的研究與功能研究結(jié)合 未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)合成化學(xué)將要開拓若干新領(lǐng)域： （l）尋求結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和多樣性的目標(biāo)結(jié)構(gòu)應(yīng)該包含高級(jí)結(jié)構(gòu)。因此合成化學(xué)既研究傳統(tǒng)的分子合成化學(xué)，也應(yīng)研究高級(jí)結(jié)構(gòu)，特別是高級(jí)有序結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑學(xué)（Tectonics）。 （2）組合化學(xué)是基于與傳統(tǒng)合成思路相反的反向思維，加上固相合成技術(shù)，并受生物學(xué)大規(guī)模平行操作（如用多孔板操作）啟發(fā)而產(chǎn)生的．組合化學(xué)不是一種技術(shù)，而應(yīng)該看到以它為基礎(chǔ)的化學(xué)研究的生長(zhǎng)點(diǎn)。首先，要探索適于平行合成的反應(yīng)；其次，尋找以可更換的合成于為基礎(chǔ)的合成反應(yīng)。另外，平行合成要求有平行檢測(cè)配合。 （3）發(fā)現(xiàn)和尋找新合成方法，包括為可持續(xù)發(fā)展提供新反應(yīng)、新路線。此外，基于結(jié)構(gòu)功能關(guān)系設(shè)計(jì)合成新功能分子或功能材料；基于分子或合成子組裝的合成，構(gòu)筑高級(jí)結(jié)構(gòu)的研究。包括控制大分子纏繞、折疊和有序聚集研究（多層次）；基于模擬生物材料形成過(guò)程的合成方法研究等。 4．2 復(fù)雜化學(xué)體系的研究 （1） 復(fù)雜體系中的多層次結(jié)構(gòu)。 （2） 尺度效應(yīng)和多尺度問(wèn)題． （3） 復(fù)雜體系過(guò)程問(wèn)題。 4．3 化學(xué)信息學(xué)和高效計(jì)算機(jī)信息處理 要加速化學(xué)信息學(xué)研究和化學(xué)信息庫(kù)的建設(shè)。 （1） 功能分子信息處理的理論和方法。 （2） 與生物學(xué)銜接的化學(xué)信息學(xué)。 （3） 與化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)過(guò)程銜接的化學(xué)信息學(xué)。 4．4 新實(shí)驗(yàn)方法的建立和方法學(xué)研究 當(dāng)今國(guó)際上科學(xué)研究的領(lǐng)先權(quán)，在很大程度上取決于研究方法和研究手段的先進(jìn)程度?；瘜W(xué)研究首先要發(fā)展先進(jìn)的研究思路、研究方法以及相關(guān)技術(shù)，以便從各個(gè)層次研究分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變。應(yīng)該建立時(shí)間、空間（能夠分辨作用位點(diǎn)和變化位點(diǎn)）的動(dòng)態(tài)、原位、實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)技術(shù)。要研究各層次結(jié)構(gòu)和各個(gè)尺度物質(zhì)的物理化學(xué)特性的測(cè)試技術(shù)。為適應(yīng)各種復(fù)雜混合物成分分析的需要，須研究分離-活性檢測(cè)聯(lián)機(jī)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高效、高選擇性的分離、高靈敏度分析鑒定和結(jié)構(gòu)分析與功能篩選一體化的技術(shù)．總結(jié)和建立新分析原理，建立自己的方法學(xué)。 化學(xué)分析儀器的小型化、微型化及智能化也是應(yīng)該注意的方向。 化學(xué)還應(yīng)有適當(dāng)?shù)姆椒ê蛢x器去研究微小尺寸復(fù)雜系統(tǒng)中的化學(xué)過(guò)程（如掃描顯微技術(shù)），要積極引進(jìn)生物學(xué)和物理學(xué)方法為我所有． 4．5 跟蹤、分析、模擬化學(xué)反應(yīng)過(guò)程 化學(xué)有三個(gè)基本武器：用分析手段測(cè)定物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)；用合成手段制造物質(zhì)；用對(duì)化學(xué)過(guò)程的認(rèn)識(shí)去控制化學(xué)過(guò)程。過(guò)程科學(xué)是現(xiàn)代化學(xué)丁程學(xué)的重要基礎(chǔ)．化學(xué)反應(yīng)過(guò)程也是人類與環(huán)境相互作用的基礎(chǔ)。 化學(xué)將會(huì)利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段揭示化學(xué)變化的瞬態(tài)面貌，及時(shí)觀察最快的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和其中的各種效應(yīng)，闡明決定化學(xué)反應(yīng)速度的各種因素和反應(yīng)機(jī)理。 但是更多的過(guò)程是相對(duì)慢過(guò)程，而在真實(shí)系統(tǒng)和實(shí)際問(wèn)題中可能極快的反應(yīng)和極慢的過(guò)程互為因果或互相牽制。過(guò)程的化學(xué)研究必然向復(fù)雜過(guò)程研究發(fā)展。