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作者：姚建年，中國科學院院士、國家自然科學基金委員會副主任

 

化學是一門在分子和原子水平上研究物質的性質、組成、結構、變化、制備及其應用，以及物質間相互作用關系的科學。作為一門極其重要的基礎學科，化學與人類的衣食住行以及能源、信息、材料、國防、環境、醫藥等方面都有密切聯系，在社會與經濟發展以及人類生活質量的不斷改善和提高中，都起著不可或缺的重要作用。舉例來說，在“神七”飛天中，除了火箭推進劑材料、飛船的耐燒蝕蜂窩材料、密封膠粘劑等一大批結構材料外，航天員的艙外服和在艙外活動中取回的由我國自行研制的固體潤滑劑樣品等；又如奧運場館水立方的充氣外墻等新型建筑材料、游泳運動員穿的新一代鯊魚皮泳衣等新型運動服裝材料等，都飽含著化學工作者的重大貢獻。過去和現在，化學一直是各國特別是發達國家科學研究中最受重視也是產生影響最大的學科領域之一。在特別強調堅持科學發展、可持續發展的今天，對于實現低能耗、低排放、資源再生、循環和綜合利用、開發新型能源和綠色制品等一系列目標來說，化學的貢獻都將得到更加極致的體現。

 

 

（一）概述

 

在堅決貫徹科學發展觀、落實《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020》的過程中，我國的化學學科取得了豐碩成果，基礎研究更扎實、深入，更注重可持續發展，原創性成果不斷涌現，學術交流更廣泛，學術論文的數量和質量明顯提升。

 

一是一批與化學相關的科研成果和化學科研工作者獲得獎勵。閔恩澤院士因其在石油煉制催化領域的杰出貢獻獲2007年國家最高科學技術獎；徐光憲院士因其在化學和稀土領域的杰出貢獻獲2008年國家最高科學技術獎。

 

二是學術交流更加廣泛、深入。在中國化學會和相關方面的組織和推動下，一年來共舉辦了50余次全國性學術會議，尤其是2008年中國化學會組織的學術年會（由南開大學承辦），會議內容覆蓋了當今化學科學的幾乎所有分支與熱點，并引起國際化學界的巨大興趣與關注，諸多國際知名化學家在年會上作學術報告，美、英、德、日等國的化學會也都派學會領導或代表與會。這些學術會議的舉辦有力地推動了我國化學工作者的國內、國際交流。

 

三是學術論文數量明顯增加、質量不斷提高。內地科學家發表的化學方面的論文總數目前僅次于美國，居世界第二；同時論文的質量有了明顯提高，在高影響因子的國際期刊上發表的論文數量和論文的總被引頻次都大幅增長，增長的幅度與速度都遠遠超過論文數量的增幅。但是，篇均引頻次還比較低，表明屬于原創性的和國際前沿的熱點領域的論文還不多，需要從跟蹤、積累和擴展研究向源頭創新推進、提升。

 

（二）近兩年來我國化學學科取得的主要進展

 

1.一些新興與交叉學科，如納米科學，與生命現象相關的化學研究以及軟物質科學等快速發展。

 

在納米科學領域，實現了碳納米管及其陣列的可控制備，發展了部分應用。證明了爭議已久的氧化石墨烯的化學結構，制備了基于石墨烯的體相異質結有機光伏電池和超分子導電膜。

 

發展了多種新方法，實現了單分散的有機小分子單晶納米結構及特定形貌和三維自組裝超結構的可控制備，并在大面積有序生長納米尺度功能有機材料方面取得進展。得到了羧基功能化的氮化硼(BN)納米管，發展出了一種對BN納米管進行碳摻雜的新方法。制備出具有周期性孿晶結構的SiC納米線，具有特殊的光發射特征和化學穩定性。提出了一種堿腐蝕機制，適用于過渡金屬氧化物空心球結構的制備，制備出氧化物空心籠狀納米結構。實現了有機/無機半導體p-n結納米線的可控構筑，制備了帶隙寬度組分可調的ZnSxSe1-x合金納米線。制備出有序介孔碳單晶材料顆粒、有序介孔C/SiO2復合陶瓷材料和特殊的雙模介孔材料。制備出納米尺度的一維鏈狀Cu@PVA導線結構、具有光控二極管效應的聚吡咯-CdS異質結納米線和具有雙功能的Ni/Ni3C核—殼結構納米鏈。實現了浸潤性光、熱和電可控的固體表面的制備。研制成功了納米光子學超精細加工系統，可實現納米尺度的加工分辨率。

 

在與生命現象相關的化學研究中，生物合成基因簇中部分基因功能的研究及金屬離子對某些重要生命過程的調控作用方面是研究的重點，同時在生命過程機制及其應用和相關的研究方法上也取得了較大進展。實現了ATP的生物合成，并借助中空蛋白膠囊內部，實現外緣物質的胞內輸送。發展了分子和超分子聚合物有序結構的近程和遠程控制原理及功能化，合成了一系列含有偶數喹啉酰胺結構單元的具有螺旋結構的喹啉酰胺寡聚物，自組裝成為單、雙螺旋和四螺旋超分子體系。模擬了具有重要生理作用和臨床研究意義的煙堿乙酰膽堿受體在細胞膜中的動力學行為，發展出一套描述金屬離子與蛋白質相互作用的理論模型。發展出一種基于生物靶分子特異性識別和核磁共振梯度場擴散序譜技術的方法，使天然植物中抗腫瘤活性成分快速篩選和結構鑒定成為可能。建立了人類口服生物利用度數據庫和人類腸吸收數據庫，開發了基于活性化合物三維結構尋找潛在結合靶標的反向分子對接方法和基于互聯網的應用平臺。

 

在軟物質研究領域，超分子自組裝及相關的組裝規律、組裝結構、組裝調控和組裝驅動力等，主客體分子識別、手性超分子以及功能膠體軟物質分子聚集體方面的研究取得了一系列進展。

 

2.新理論、新技術、新裝備和新方法上不斷探索前進。

 

提出了諸多新的理論和計算方法，例如含轉動效應的無輻射躍遷理論、軌道分解法等。開發了多項新實驗技術，并研制成功一批具有自主知識產權的新儀器設備，如交叉分子束—離子速度成像儀、精密自動絕熱量熱裝置等。在新方法的探索上也取得了一些具有較好原創性的成果，如提出了在熔鹽中電解固態氧化物直接電化學還原制備重稀土金屬的新方法，以及雙氧水直接氧化丙烯制環氧丙烷新技術等。在色譜研究的新方法、新技術和新系統上，在多維色譜儀器、新型色譜填料和色譜柱、樣品前處理方法等方面得到了迅猛發展。開發了包括攪拌棒吸附萃取技術在內的微型化處理技術、親和色譜在內的選擇性預處理技術、在線聯用的柱上堆積富集技術等。針對復雜樣品的分離分析，構建了全二維氣相色譜、多維液相色譜、多維毛細管電泳等多維分離系統，有效提高了樣品的分辨率。

 

3．新材料和元器件上有所突破。

 

在新能源的開發上，太陽能電池、鋰離子電池、燃料電池、超級電容器、全釩液流儲能電池等受到關注。開發出了一系列性能優異的染料敏化太陽能電池，光電轉化效率最高達9％；提出了一種基于薄液層氧化還原對的新型超級電容器；成功研制出國內規模最大的第一代100kW級全釩液流儲能電池系統。

 

有機場效應管（OFET）方面，制備了并五苯OFET，實現了在單個器件中起始柵極電壓對器件閾值電壓的調控，首次用低聚TTF化合物為活性層制備OFET器件，使微納晶場效應管遷移率顯著提高。有機發光材料及器件（OLED）方面，高分子發光材料體系、界面修飾材料體系和新型發光器件等取得了一系列研究成果。獲得了目前發光效率最高的白光高分子單層器件；制備了可發紅、橙、黃、綠四色光的QD-LED器件。

 

在生物醫用高分子及生物傳感方面，合成得到了高載藥量聚乳酸—蛋白質復合物和用于骨修復的納米粒子增強脂肪族聚酯復合材料等；構建了陽離子聚芴/DNA等陽離子聚合物/生物分子自組裝體系，實現了DNA甲基化轉移酶的高靈敏度檢測和葡萄糖磷酸化及單鏈DNA水解的無標記、肉眼可視的傳感檢測。

 

此外，還設計了一系列新型給體—受體分子，實現了分子熒光開關、分子邏輯器件和分子內電子轉移可逆調控。制備出表面光學、電學性質及浸潤性可多重調控的聚合物光子晶體。

 

4．環境和綠色研究日益受到重視。

 

環境化學方面，新型化學污染物的環境問題、常見污染物的環境問題、污染物環境界面化學、復合污染、污染物毒性檢測等成為研究重點，初步建立了各種水源中多種常見全氟化合物的液相色譜—串聯質譜分析方法；綠色化學方面，重點放在了超臨界流體、離子液體的應用上，開發出一種以離子液體為極性微環境的超臨界CO2微乳液，其膠束結構和性質可通過CO2及離子液體的結構進行調節，使得該類微乳液在實際應用中具有非常明顯的優勢。

 

5. 傳統學科知識不斷積淀深化并產生新的研究熱點。

 

在物理化學研究方面，催化機理研究不斷深入，新的催化反應與催化劑不斷產生。在電化學方法、生物電化學、有機電化學上不斷創新，提出了研究不穩定體系電催化的流體動力學理論方法，制備出復合雙極膜用于電有機合成反應。在無機化學研究方面，基于過渡金屬配合物的分子磁體、分子固體及其相關的研究成為新的研究熱點。在有機化學研究方面，有機反應依然是最為活躍的研究領域。在天然產物的合成上，則實現了一些環肽、三萜類糖苷、生物堿等的首次全合成，同時發現了多種新的天然產物。在高分子研究方面，聚合反應機理和新的聚合方法和聚合物合成取得了一系列進展，觀察到線團—緊密小球轉變的兩級動力學，建立了描述分散相形變、破裂、凝聚等的流變學本構模型。此外，在導電高分子和生物高分子的研究上，實現了導電聚苯胺納米材料的可控制備，并首次制備了含DNA的非交聯、穩定多孔聚電解質復合物膜。在化學信息學研究方面，化學計量學方法與應用研究處于國際前沿，發展了多種新的化學計量學方法，如交替移動窗口因子分析等，可方便地對不同樣本的共有化合物進行比較分析。

 

6.面向國家、社會重大需求和面向應用取得一系列成果。

 

例如，我國自行研制的航天飛行器用固體潤滑材料已在神舟七號飛船上得到實際應用。此外還包括具有自主知識產權的世界第二條年產5000噸綠色可降解環保型聚乳酸樹脂的工業示范線，催化裂化干氣制乙苯氣相烴化和液相反烴化優化組合的第三代技術，具有自主知識產權的甲醇制烯烴技術，可用于同位素生產堆的氫氧復合整體催化劑及復合器，用于丁基橡膠的生產裝置中的可控正離子聚合新工藝技術，具有我國獨立知識產權國內第一條彩色等離子顯示屏PDP用熒光粉生產線，用于危險廢物處理的貴金屬—稀土金屬雙組分濕式催化氧化工業示范裝置，合成第三代強效解熱鎮痛藥雙氯芬酸類藥物的國際領先的新技術，還有化學信息管理系統CISOC-ChIMS的建立，等等。上述成果或者自主創新開發，或者深入生產生活實際，解決實際問題，都是科研轉化為生產力的展示，產生了重大的社會效益和經濟效益。

 

 

當前，化學已經從傳統意義上的實驗科學向更深入的分子、原子水平探索和理論研究發展，由此誕生了一大批新的分支領域，尤其是在與材料科學、生物學、物理學等許多傳統學科領域的交叉、融合中，自身得到了飛快發展，而一些傳統領域也產生了新的生長點。作為一門與國民經濟各個領域密不可分的基礎科學，以及承上啟下、滲透于各種新興、交叉學科的中心科學，從總體來說，化學的未來發展，應該特別注重加強在資源的有效合理開發、無害化使用、再生和循環利用，以為經濟的可持續發展提供物質保障和在為改善人類的生活環境、提高生活質量提供更加綠色、更為質優價廉的衣食住行條件，以及在加強科學積淀以促進學科自身發展等方面的研究。

 

為此，可以預見，在未來的相當一段時間內，納米科技及其向各化學學科的滲透（例如納米材料功能化和功能材料納米化）、新型功能材料的制備與組裝及相關器件的研發、材料工程與可控構筑、新型高效綠色催化劑的開發及其在反應與工業中的應用、新反應的發現及其機制的研究、與生物體和生命現象相關的化學和仿生學、納米以至分子水平的探測與分析表征的新方法和新技術手段、綠色與原子經濟化學、新能源材料的開發及相關研究、理論化學與方法從原子—分子體系向多體的宏觀體系發展以及從解釋現象向設計發展等，都還必將是化學學科的熱點方向。

 

強化基礎研究將始終是發展化學科學之根本，新進展與成果、新理論與觀點、新材料與性能、新方法與工藝、新技術與裝備將是推動化學發展的強大動力，而服務于社會和國民經濟的發展則是化學工作者須臾不可忘的歷史使命。