我的報告主要是基礎科學的角度以及對未來化學的希望進行探討,回顧百年來化學的發展,應該說建立了重要的理論體系,創造了新的物質,這是第一點啟示。百年來化學作為一門中心學科,推動了其他學科的發展。百年來化學的發展支撐了人類社會的可持續發展。有幾個例子來說明這個觀點。
在過去一百年,比如說化學學科自身不斷的壯大發展,化學理論的建立促進了化學的日臻完善,比如說在化學理論指導之下,我們對組成分子的化學鍵的本質,催化機理,分子間相互作用等認識逐步的系統和深入。鮑林提出的價鍵學說雜化軌道理論,莫利肯提出的分子軌道理論等等,這些理論指導了我們對化學鍵深刻的認識。我們的研究從小分子反映到化學鍵的催化,理論與計算化學都是不可或缺的,化學理論的建立和完善使化學本身更加系統,更加深入。
化學強大的創造力是改造物質世界的主要方法和手段之一,化學家合成和制備了數以千萬計的化學物質,為化學的壯大發展提供了基石。過去一個世紀新分子從幾十萬種增加到幾千萬種以上,成為取之不盡的資源寶庫。合成化學對結構和成鍵有深入的了解,20世紀中期以后化學與生命、材料、能源、環境、信息等學科的交叉融合,不僅推動了化學自身的發展,也催生了眾多新興交叉前沿科學。化學與生命科學交叉過程當中,誕生了生物化學,分子生物學,生物無機和生物有機化學,化學生物學,以及細胞層次的化學。與材料科學交叉融合的基礎上,先后產生了材料化學和納米化學,當然納米化學不僅僅局限于材料。環境學科交叉中形成了環境化學,并分化出大氣化學,水化學,環境毒理等學科。
化學架起了生命科學的橋梁,化學獲得了很多諾貝爾獎都是與生命科學密切相關的,從1929年研究輔酶到2008年的綠色熒光蛋白,2009年的核糖體結構和功能,都是架起了化學科學與生命之間的橋梁。生物學家和藥學家因為對分子調控和機理的深入認識而獲益匪淺,比如說硝酸甘油能夠緩解心絞痛,很多年來對機理不是很清楚,上世紀80年代才被藥理學家出色的工作所解決,并于1998年獲得了諾貝爾生理學和醫學獎。硝酸甘油能夠釋放NO,而NO能使血管擴張,它是一種傳遞精神信息的信使分子。
化學推動了材料創新,高分子領域有四個諾貝爾獎奠定了高分子工業的基礎,1953年提出高分子概念,1963年催化劑獲獎,關于高分子物力理論的試驗,到2000年一共三位獲得了導電高分子領域的發現,可以說這些諾貝爾獎的獲得奠定了現在高分子工業的基礎。1838年問世了第一種人造塑料,1840年開發出天然橡膠的硫化技術,1907年真正意義上合成塑料,1939年促成了尼龍的商品化,1940年各種通用塑料和特種工程塑料相繼問世。高分子材料的問世推動了材料的創新,廣泛的滿足了人民群眾生活的需要。塑料,橡膠和纖維產量巨大,與人民生活密切相關,高分子涂料,膠粘劑被廣泛的使用,所以說高分子材料的誕生,推動了材料不斷的創新。
第三,化學的發展支撐了人類社會的可持續發展,過去的百年發展當中,化學對人類社會的可持續發展起到了核心作用,現在化學已經滲透到生活的各方面,人民的生活可以改善,甚至是國家安全,化學為新能源,新材料研究,乃至信息、醫藥、資源和環境方面的發展提供了物質基礎和技術保障。比如說化肥,合成氨的方法,結束了人類完全依靠天然氮肥的歷史,沒有合成氨農作物的產量不能有今天的產量。高分子纖維改善了我們的生活,告別了單純的依靠大自然賦予的棉、麻、毛、蠶絲編織衣著的時代。
藥物是人類健康的守護神,從天然藥物到合成藥物,比如說嗎啡,阿司匹林目前都在使用,不僅是鎮痛,降低血液粘稠度,現在老年人每天吃一片阿司匹林。立普妥是降低血脂的,燃料的發明應用使我們的生活更加多姿多彩。化學在能源領域得到了廣泛的應用,美國油田的發現,石油在1951年成為超過煤的最主要的燃料來源。由原油當中分離出不同的化學油份,在石油的廣泛應用當中不斷的改進,最初原油煉油技術是常壓蒸餾后來是減壓蒸餾,到現在是催化裂解。能源領域催化劑是被廣泛使用的,也是不可或缺的。對核能源來說,42年是以軍用為目的建立起第一個核反應裝置,包括核電在內的和平利用核技術始于1951年,當時美國總統艾森豪威爾提出了和平用核能的計劃。用于反應堆的核燃料,和用于調節放射性衰敗產生的中子流的控制棒,用過燃料棒的再加工,核廢料處理等產生了很好的能源。
短短200年電池成為人類生活不可或缺的寶物,隨著電池的發展,化學的身影是無處不在的。最早是意大利的科學家解剖青蛙的時候,發現青蛙有生物電現象,1781年發表了“關于電對肌肉運動的作用”的論文。最早的電池是受到其中的啟發而發明的。1859年發明的鉛酸蓄電池主要用于各種內燃機車,目前的產量最大,應用最廣,目前是很普及的,包括內燃機車,甚至是汽車的蓄電池。1868年發明的鋅錳濕電池,到普通干電池,到堿性電池,鎳氫電池,更高容量低環境污染記憶效應小,鋰電池容量輕,容量大,無記憶效應,目前是大規模使用的。從電池的發展史中可以看到化學所起到的作用。目前太陽能是唯一的取之不盡的,免費的能源,如何把太陽能轉化成我們可以使用的能量,是目前科學界研究的一個熱點問題。從1839年光伏效應發現以來,54年第一個硅基太陽能電池,1977年第一個非晶硅的太陽能電池,86年有機太陽能電池得到了新的突破,90年代世界太陽能電池產量穩步的增長,95年有薄膜的太陽能電池,07年太陽能的發展達到了高峰,當然目前還有很多技術問題有待于解決。
化學與材料的關系是密不可分的,比如說公路,尤其是瀝青路,不管天氣多熱多冷,長期的受壓,載荷使用條件下,外表保持平坦不破壞,建筑維護創新應該說是發揮了重要的作用,使道路的翻修間隔越來越長。化學分子起到了聯合添加劑的作用,避免產生車轍和開裂,采用了SPS在路面材料當中。最早的橡膠產品是天然橡膠,19世紀初。1839年發明了天然橡膠的硫化過程,使天然橡膠可以更好的使用,目前的橡膠硫化技術,加入化學促進劑和穩定劑,這樣的技術還在使用。1945年合成橡膠實現了商業化的生產,隨著輪胎使用的增加有了一些改進,比如用內胎代替實心的橡膠胎,天然的或合成纖維簾子線增強來增加輪胎的強度,減少磨損的添加料,輪胎中化學技術發揮了非常重要的作用。航天火箭推進劑,1926年第一枚火箭是液態氧做氧化劑,航天發射的使用是鋁和高氯酸銨作為推進劑。(摘自“國際化學年在中國”報告會)
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