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化学的贡献将得到更加的体现

2018-11-26 10:10:22

姚建年:化学的贡献将得到更加的体现

(作者为中国科学院院士、国家自然科学基金委员会副主任)

化学是一门在分子和原子水平上研究物质的性质、组成、结构、变化、制备及其应用,以及物质间相互作用关系的科学。作为一门极其重要的基础学科,化学与人类的衣食住行以及能源、信息、材料、国防、环境、医药等方面都有密切联系,在社会与经济发展以及人类生活质量的不断改善和提高中,都起着不可或缺的重要作用。举例来说,在“神七”飞天中,除了火箭推进剂材料、飞船的耐烧蚀蜂窝材料、密封胶粘剂等一大批结构材料外,航天员的舱外服和在舱外活动中取回的由我国自行研制的固体润滑剂样品等;又如奥运场馆水立方的充气外墙等新型建筑材料、游泳运动员穿的新一代鲨鱼皮泳衣等新型运动服装材料等,都饱含着化学工作者的重大贡献。过去和现在,化学一直是各国特别是发达国家科学研究中受重视也是产生影响的学科领域之一。在特别强调坚持科学发展、可持续发展的今天,对于实现低能耗、低排放、资源再生、循环和综合利用、开发新型能源和绿色制品等一系列目标来说,化学的贡献都将得到更加的体现。

我国化学学科取得的进展

(一)概述

在坚决贯彻科学发展观、落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020》的过程中,我国的化学学科取得了丰硕成果,基础研究更扎实、深入,更注重可持续发展,原创性成果不断涌现,学术交流更广泛,学术论文的数量和质量明显提升。

一是一批与化学相关的科研成果和化学科研工作者获得奖励。闵恩泽院士因其在石油炼制催化领域的杰出贡献获2007年国家科学技术奖;徐光宪院士因其在化学和稀土领域的杰出贡献获2008年国家科学技术奖。

二是学术交流更加广泛、深入。在中国化学会和相关方面的组织和推动下,一年来共举办了50余次全国性学术会议,尤其是2008年中国化学会组织的学术年会(由南开大学承办),会议内容覆盖了当今化学科学的几乎所有分支与热点,并引起国际化学界的巨大兴趣与关注,诸多国际知名化学家在年会上作学术报告,美、英、德、日等国的化学会也都派学会领导或代表与会。这些学术会议的举办有力地推动了我国化学工作者的国内、国际交流。

三是学术论文数量明显增加、质量不断提高。内地科学家发表的化学方面的论文总数目前仅次于美国,居世界第二;同时论文的质量有了明显提高,在高影响因子的国际期刊上发表的论文数量和论文的总被引频次都大幅增长,增长的幅度与速度都远远超过论文数量的增幅。但是,篇均引频次还比较低,表明属于原创性的和国际前沿的热点领域的论文还不多,需要从跟踪、积累和扩展研究向源头创新推进、提升。

(二)近两年来我国化学学科取得的主要进展

1.一些新兴与交叉学科,如纳米科学,与生命现象相关的化学研究以及软物质科学等快速发展。

在纳米科学领域,实现了碳纳米管及其阵列的可控制备,发展了部分应用。证明了争议已久的氧化石墨烯的化学结构,制备了基于石墨烯的体相异质结有机光伏电池和超分子导电膜。

发展了多种新方法,实现了单分散的有机小分子单晶纳米结构及特定形貌和三维自组装超结构的可控制备,并在大面积有序生长纳米尺度功能有机材料方面取得进展。得到了羧基功能化的氮化硼(BN)纳米管,发展出了一种对BN纳米管进行碳掺杂的新方法。制备出具有周期性孪晶结构的SiC纳米线,具有特殊的光发射特征和化学稳定性。提出了一种碱腐蚀机制,适用于过渡金属氧化物空心球结构的制备,制备出氧化物空心笼状纳米结构。实现了有机/无机半导体p-n结纳米线的可控构筑,制备了带隙宽度组分可调的ZnSxSe1-x合金纳米线。制备出有序介孔碳单晶材料颗粒、有序介孔C/SiO2复合陶瓷材料和特殊的双模介孔材料。制备出纳米尺度的一维链状Cu@PVA导线结构、具有光控二极管效应的聚吡咯-CdS异质结纳米线和具有双功能的Ni/Ni3C核—壳结构纳米链。实现了浸润性光、热和电可控的固体表面的制备。研制成功了纳米光子学超精细加工系统,可实现纳米尺度的加工分辨率。

在与生命现象相关的化学研究中,生物合成基因簇中部分基因功能的研究及金属离子对某些重要生命过程的调控作用方面是研究的重点,同时在生命过程机制及其应用和相关的研究方法上也取得了较大进展。实现了ATP的生物合成,并借助中空蛋白胶囊内部,实现外缘物质的胞内输送。发展了分子和超分子聚合物有序结构的近程和远程控制原理及功能化,合成了一系列含有偶数喹啉酰胺结构单元的具有螺旋结构的喹啉酰胺寡聚物,自组装成为单、双螺旋和四螺旋超分子体系。模拟了具有重要生理作用和临床研究意义的烟碱乙酰胆碱受体在细胞膜中的动力学行为,发展出一套描述金属离子与蛋白质相互作用的理论模型。发展出一种基于生物靶分子特异性识别和核磁共振梯度场扩散序谱技术的方法,使天然植物中抗肿瘤活性成分快速筛选和结构鉴定成为可能。建立了人类口服生物利用度数据库和人类肠吸收数据库,开发了基于活性化合物三维结构寻找潜在结合靶标的反向分子对接方法和基于互联网的应用平台。

在软物质研究领域,超分子自组装及相关的组装规律、组装结构、组装调控和组装驱动力等,主客体分子识别、手性超分子以及功能胶体软物质分子聚集体方面的研究取得了一系列进展。

2.新理论、新技术、新装备和新方法上不断探索前进。

提出了诸多新的理论和计算方法,例如含转动效应的无辐射跃迁理论、轨道分解法等。开发了多项新实验技术,并研制成功一批具有自主知识产权的新仪器设备,如交叉分子束—离子速度成像仪、精密自动绝热量热装置等。在新方法的探索上也取得了一些具有较好原创性的成果,如提出了在熔盐中电解固态氧化物直接电化学还原制备重稀土金属的新方法,以及双氧水直接氧化丙烯制环氧丙烷新技术等。在色谱研究的新方法、新技术和新系统上,在多维色谱仪器、新型色谱填料和色谱柱、样品前处理方法等方面得到了迅猛发展。开发了包括搅拌棒吸附萃取技术在内的微型化处理技术、亲和色谱在内的选择性预处理技术、在线联用的柱上堆积富集技术等。针对复杂样品的分离分析,构建了全二维气相色谱、多维液相色谱、多维毛细管电泳等多维分离系统,有效提高了样品的分辨率。

3.新材料和元器件上有所突破。

在新能源的开发上,太阳能电池、锂离子电池、燃料电池、超级电容器、全钒液流储能电池等受到关注。开发出了一系列性能优异的染料敏化太阳能电池,光电转化效率达9%;提出了一种基于薄液层氧化还原对的新型超级电容器;成功研制出国内规模的代100kW级全钒液流储能电池系统。

有机场效应管(OFET)方面,制备了并五苯OFET,实现了在单个器件中起始栅极电压对器件阈值电压的调控,首次用低聚TTF化合物为活性层制备OFET器件,使微纳晶场效应管迁移率显著提高。有机发光材料及器件(OLED)方面,高分子发光材料体系、界面修饰材料体系和新型发光器件等取得了一系列研究成果。获得了目前发光效率的白光高分子单层器件;制备了可发红、橙、黄、绿四色光的QD-LED器件。

在生物医用高分子及生物传感方面,合成得到了高载药量聚乳酸—蛋白质复合物和用于骨修复的纳米粒子增强脂肪族聚酯复合材料等;构建了阳离子聚芴/DNA等阳离子聚合物/生物分子自组装体系,实现了DNA甲基化转移酶的高灵敏度检测和葡萄糖磷酸化及单链DNA水解的无标记、肉眼可视的传感检测。

此外,还设计了一系列新型给体—受体分子,实现了分子荧光开关、分子逻辑器件和分子内电子转移可逆调控。制备出表面光学、电学性质及浸润性可多重调控的聚合物光子晶体。

4.环境和绿色研究日益受到重视。

环境化学方面,新型化学污染物的环境问题、常见污染物的环境问题、污染物环境界面化学、复合污染、污染物毒性检测等成为研究重点,初步建立了各种水源中多种常见全氟化合物的液相色谱—串联质谱分析方法;绿色化学方面,重点放在了超临界流体、离子液体的应用上,开发出一种以离子液体为极性微环境的超临界CO2微乳液,其胶束结构和性质可通过CO2及离子液体的结构进行调节,使得该类微乳液在实际应用中具有非常明显的优势。

5. 传统学科知识不断积淀深化并产生新的研究热点。

在物理化学研究方面,催化机理研究不断深入,新的催化反应与催化剂不断产生。在电化学方法、生物电化学、有机电化学上不断创新,提出了研究不稳定体系电催化的流体动力学理论方法,制备出复合双极膜用于电有机合成反应。在无机化学研究方面,基于过渡金属配合物的分子磁体、分子固体及其相关的研究成为新的研究热点。在有机化学研究方面,有机反应依然是为活跃的研究领域。在天然产物的合成上,则实现了一些环肽、三萜类糖苷、生物碱等的首次全合成,同时发现了多种新的天然产物。在高分子研究方面,聚合反应机理和新的聚合方法和聚合物合成取得了一系列进展,观察到线团—紧密小球转变的两级动力学,建立了描述分散相形变、破裂、凝聚等的流变学本构模型。此外,在导电高分子和生物高分子的研究上,实现了导电聚苯胺纳米材料的可控制备,并首次制备了含DNA的非交联、稳定多孔聚电解质复合物膜。在化学信息学研究方面,化学计量学方法与应用研究处于国际前沿,发展了多种新的化学计量学方法,如交替移动窗口因子分析等,可方便地对不同样本的共有化合物进行比较分析。

6.面向国家、社会重大需求和面向应用取得一系列成果。

例如,我国自行研制的航天飞行器用固体润滑材料已在神舟七号飞船上得到实际应用。此外还包括具有自主知识产权的世界第二条年产5000吨绿色可降解环保型聚乳酸树脂的工业示范线,催化裂化干气制乙苯气相烃化和液相反烃化优化组合的第三代技术,具有自主知识产权的甲醇制烯烃技术,可用于同位素生产堆的氢氧复合整体催化剂及复合器,用于丁基橡胶的生产装置中的可控正离子聚合新工艺技术,具有我国独立知识产权国内条彩色等离子显示屏PDP用荧光粉生产线,用于危险废物处理的贵金属—稀土金属双组分湿式催化氧化工业示范装置,合成第三代强效解热镇痛药双氯芬酸类药物的国际的新技术,还有化学信息管理系统CISOC-ChIMS的建立,等等。上述成果或者自主创新开发,或者深入生产生活实际,解决实际问题,都是科研转化为生产力的展示,产生了重大的社会效益和经济效益。

展望

当前,化学已经从传统意义上的实验科学向更深入的分子、原子水平探索和理论研究发展,由此诞生了一大批新的分支领域,尤其是在与材料科学、生物学、物理学等许多传统学科领域的交叉、融合中,自身得到了飞快发展,而一些传统领域也产生了新的生长点。作为一门与国民经济各个领域密不可分的基础科学,以及承上启下、渗透于各种新兴、交叉学科的中心科学,从总体来说,化学的未来发展,应该特别注重加强在资源的有效合理开发、无害化使用、再生和循环利用,以为经济的可持续发展提供物质保障和在为改善人类的生活环境、提高生活质量提供更加绿色、更为质优价廉的衣食住行条件,以及在加强科学积淀以促进学科自身发展等方面的研究。

为此,可以预见,在未来的相当一段时间内,纳米科技及其向各化学学科的渗透(例如纳米材料功能化和功能材料纳米化)、新型功能材料的制备与组装及相关器件的研发、材料工程与可控构筑、新型高效绿色催化剂的开发及其在反应与工业中的应用、新反应的发现及其机制的研究、与生物体和生命现象相关的化学和仿生学、纳米以至分子水平的探测与分析表征的新方法和新技术手段、绿色与原子经济化学、新能源材料的开发及相关研究、理论化学与方法从原子—分子体系向多体的宏观体系发展以及从解释现象向设计发展等,都还必将是化学学科的热点方向。

强化基础研究将始终是发展化学科学之根本,新进展与成果、新理论与观点、新材料与性能、新方法与工艺、新技术与装备将是推动化学发展的强大动力,而服务于社会和国民经济的发展则是化学工作者须臾不可忘的历史使命。


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