化学前景与展望
化学是关于物质的组成、结构、性质与变化规律的科学,是人类认识和改造物质世界的主要手段和方法之一。化学引导着发现与创造,化学是最具有创新性的一个学科,化学是唯一的一个学科,一个领域,能够合成新的物质,稳定存在新的物质。化学是带来重大发明创造的学科,支撑了人类社会可持续发展,引领了科学与技术进步,化学将向更广度深度的方向延伸,必将促进能源,环境,材料,生命等战略领域的发展。
1. 未来的化学的发展将有下面几个趋势:
化学将向更广度、更深层次的方向延伸;新工具的不断创造和应用促进化学创新发展;绿色化学将引起化学化工生产方式的变革;化学在解决战略性,全局性,前瞻性重大问题当中将继续发挥更大的作用。
(1)化学向更广更深的层次延伸体现在几个方面,对原子,分子的认识将更为深入,多层次分子研究更为系统,创造新分子,新材料的基础上更加注重功能性。超分子是一个分子结构与宏观性能的关键纽带,是产生更高级结构的基础。如何设计超分子结构和材料,对复杂生命体系的理解和模拟及调控都是前沿的课题。这是化学向更深层次,更复杂拓展的延伸。
(2)新工具的创造和应用会促进化学的发展,随着技术能力和仪器设备的不断进步,空前准确和灵敏的仪器不断被创造和应用,科学家不仅能在原子,分子甚至电子层次观察并研究微观世界的性质,而且能够对其物质结构和能量过程进行操控。1981年,人类实现了观察单个原子的愿望,实现了移动单个原子和单个分子,促进了化学的创新和发展。同步辐射及各种实验方法和技术的改进,使同步辐射光源在化学研究领域中发挥重要的作用,比如真空紫外辐射光可以在量的水平上观察化学共振态。原位气固反应X射线吸收精细结构谱实验新方法,各种应用促进了化学向更深层次的发展。
(3)绿色化学将促进化学化工生产方式的变革,绿色化学不仅是对现有过程的改进和新过程的研究,未来化学的研究将更加注重绿色产品设计的理念。绿色化学将注重经济,高效,制备与人类生活相关的物质,绿色化学不仅是创造可持续的化学产品,也需要变废为宝,将今天的废弃物变为明天有用的资源,将引起化学化工的变革。美国在1995年设立了总统绿色化学挑战奖,07年通过了绿色化学研究和发展法案。日本在上世纪90年代旨在防止全球气候变暖,在21世纪重建绿色地球的新阳光计划开始实施,主要内容为能源和环境技术研究开发。97年德国提出为环境而研究的计划。化学家开发了大量的化学合成反应,制备人类息息相关的物质,超过80%的化学生产需要催化剂,70%以上的化学化工过程使用溶剂。我们现在考虑如果从合成方法学来讲,原子经济学,计算化学,绿色化学结合,合成方法学的角度上进行绿色化学的研究。80%化学品的生产需要催化剂,如何通过发展新型的高效催化剂高稳定性,并且在制造的过程中对环境是无害,使用的过程可以回收再利用,使催化剂不污染环境这也是一个非常重要的方面。70%以上的化学化工过程要使用溶剂,我们要采用绿色的溶剂,二氧化碳做溶剂,离子液体,聚乙二醇等等使之更加清洁和可持续。绿色化学还需要变废为宝,把引起气候变暖的二氧化碳转化利用,通过开发新的技术进行转化应用。前不久我们曾经在宝钢与新西兰研究一个新的技术,利用钢厂的尾气对二氧化碳进行转化研究。秸秆,树木,藻类转化为燃料,重要化学品核材料,木质素,纤维素为原料的新化学反应,粘土等天然无毒原料在材料科学中的应用,不仅是创造新一代的可持续的化学产品,还要考虑如何变废为宝,这是下一步发展的重要方面。
(4)化学在解决全局性,前瞻性,战略性的重大问题中会发挥重要的作用,社会的发展不断对化学发展提出新的需求,比如能源危机要求我们如何像光合作用那样高效的利用太阳能。前不久有仿造树叶的光合作用来高效利用太阳能。环境保护方面如何控制降解驱除污染,资源利用方面必须做到合理高效的利用资源,最大显著的利用资源,材料方面绿色化及智能化,可再生循环利用,社会安全方面防患于未然,比如易燃品,爆炸品的检查和防护,有很多的工作需要化学家发挥更大的作用。
在材料化学方面,要设计铸造分子,生命科学方面不仅是研究生命起源,调控机制,疾病发生机制和药物的作用机制,在脑科学和认知科学方面,如何在生物分子的水平上认识结构,化学都有十分重要的作用。
2. 化学对国民经济的发展起着重要的推动作用
(1)农业
1999年世界人口已达60亿,预期2025年将达到68亿。靠什么来养活这么多的人?增加食物生产除依靠改良品种、扩大耕种面积以外,要提高单位面积产量及食物质量更重要的是依靠科学,如肥料、农药、土壤结构和肥力的保持等,这中间都有化学问题有待研究。
(2)能源
经济增长与能源消费增长是紧密联系的,目前人类利用的能源有:煤、天然气、石油、核能、水力、太阳能、生物原料等。
(3)石油化工、天然气化工和煤化工
20世纪作为化工产品的源头,石油、天然气、煤的化学工业得到了很大的发展。特别是石油化工,由于市场经济和技术竞争因素,促使其发展更加快速和广泛。
(4)健康与医药
基因药物、酶抑制剂的研究和开发、受体拮抗剂或阻断剂、.手性药物、常见病和多发病治疗药物的研制
(5)新功能材料
21世纪被称是高新技术时代。信息产业、航天、生物工程、材料、能源、微电子和光纤等新一代科学技术成为现代文明的重要支柱,而其中材料是最根本的物质基础。由于一种新材料的出现和使用可能导致许多产业面貌焕然一新。最使人们直接的感受是计算机的更新换代。众所周知,最早出台的老一代计算机是用电子管装配的,一个50m2的房间只能放一台计算机;80年代半导体产业的兴起,很快就使计算机小型化,苹果机、286、386、486、586、P-MMX、PⅡ-166、266、300、450、PⅢ-300、450、500,基本上是一年一个型号,这是计算芯片不断更新,光刻技术不断升级,使计算机越来越小,计算速度越来越快的结果。因此各种新功能材料的研制和应用已成为推动高新技术发展的动力之一。
(6)日用化学品和精细化工
迄今为止,人类发现和创造的1200多万个化合物各自有其性质和功能。在20世纪人类发展过程中,很多化合物都被用于人类社会的各个方面,农轻重、吃穿用、衣食住行无不紧密地依赖化学品,应该讲化学对人类社会和物质文明做出了重大贡献。毫无疑问,化学科学的发展与进步是人类文明前进的重要标志,化学学科的发展将为物质生活的提高奠定坚实的理论和实践基础,同时也是科学技术发展的重要保证,随着化学与其他相关学科的交叉和发展,化学已经成为21世纪科技发展和进步的中心学科,将为人类文明进步继续发挥其不可替代的作用。
当前我国正在实施“绿色中国”、“健康中国”的发展战略,化学学科必将发挥不可取代的作用。我国化学的发展,离不开莘莘学子的积极参与,衷心期望即将步入大学殿堂的优秀学子们能够勇于承担社会责任,积极投入到化学的发展中来,了解化学,学习化学,将来能够创造更加绿色,安全的化学产品,创造我们更加美好的生活,美好的未来。