21世紀的四大化學難題

我是夢雨凝 2017-03-24

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到了21世紀,，數(shù)學界,、物理學界和生物學界都相繼提出了各自領域的重大難題或奮斗目標。但在化學界,，一直沒有人明確提出哪些是化學要解決的世紀難題,。

近年來，在世界范圍內出現(xiàn)了淡化化學的思潮,。那么化學界果真提不出重大難題嗎,？有人對這一問題，提出21世紀的四大化學難題供大家一起探討,。

1. 如何建立精確有效而又普遍適用的化學反應的含時多體量子理論和統(tǒng)計理論,？

　　化學是研究化學變化的科學，所以化學反應理論和定律是化學的第一根本規(guī)律,。應該說,，目前的一些理論方法對描述復雜化學體系還有困難。

　　因此,，建立嚴格徹底的微觀化學反應理論,，既要從初始原理出發(fā)，又要巧妙地采取近似方法,，使之能解決實際問題,，包括決定某兩個或幾個分子之間能否發(fā)生化學反應？能否生成預期的分子,？需要什么催化劑才能在溫和條件下進行反應,？如何在理論指導下控制化學反應？如何計算化學反應的速率,？如何確定化學反應的途徑等,，是21世紀化學應該解決的第一個難題。

　　對于這一世紀難題，應予首先研究的課題有：(1)充分了解若干個重要的典型的化學反應的機理,，以便設計最好的催化劑,，實現(xiàn)在最溫和的條件進行反應，控制反應的方向和手性,，發(fā)現(xiàn)新的反應類型,，新的反應試劑。(2)在搞清楚光合作用和生物固氮機理的基礎上,，設計催化劑和反應途徑,，以便打斷CO2, N2等穩(wěn)定分子中的惰性化學鍵。(3)研究其它各種酶催化反應的機理,。酶對化學反應的加速可達100億倍,，專一性達100%。如何模擬天然酶,，制造人工催化劑,，是化學家面臨的重大難題。(4)充分了解分子的電子,、振動,、轉動能級，用特定頻率的光脈沖來打斷選定的化學鍵——選鍵化學的理論和實驗技術,。

2. 如何確立結構和性能的定量關系,？

　　這里“結構”和“性能”是廣義的，前者包含構型,、構象,、手性、粒度,、形狀和形貌等,，后者包含物理、化學和功能性質以及生物和生理活性等,。這是21世紀化學的第二個重大理論難題,。

　　要優(yōu)先研究的課題有：(1)分子和分子間的非共價鍵的相互作用的本質和規(guī)律。(2)超分子結構的類型,，生成和調控的規(guī)律,。(3)給體-受體作用原理。(4)進一步完善原子價和化學鍵理論,，特別是無機化學中的共價問題,。(5)生物大分子的一級結構如何決定高級結構？高級結構又如何決定生物和生理活性,？(6)分子自由基的穩(wěn)定性和結構的關系,。(7)摻雜晶體的結構和性能的關系,。(8)各種維數(shù)的空腔結構和復雜分子體系的構筑原理和規(guī)律。(9)如何設計合成具有人們期望的某種性能的材料,？(10)如何使宏觀材料達到微觀化學鍵的強度,？例如“金屬胡須”的抗拉強度比通常的金屬絲大一個量級，但還遠未達到金屬-金屬鍵的強度,，所以增加金屬材料強度的潛力是很大的,。以上各方面是化學的第二根本問題，其迫切性可能比第一問題更大,，因為它是解決分子設計和實用問題的關鍵,。

3. 如何揭示生命現(xiàn)象的化學機理？

　　充分認識和徹底了解人類和生物的生命運動的化學機理,，無疑是21世紀化學亟待解決的重大難題之一,。

　　例如：(1)研究配體小分子和受體生物大分子相互作用的機理，這是藥物設計的基礎,。(2)化學遺傳學為哈佛大學化學教授Schreiber所創(chuàng)建,。他的小組合成某些小分子，使之與蛋白質結合,，并改變蛋白質的功能，例如使某些蛋白酶的功能關閉,。這些方法使得研究者們不通過改變產(chǎn)生某一蛋白質的基因密碼就可以研究它們的功能,，為開創(chuàng)化學蛋白質組學，化學基因組學(與生物學家以改變基因密碼來研究的方法不同)奠定基礎,。(3)搞清楚光合作用,、生物固氮作用，以及牛,、羊等食草動物胃內酶分子如何把植物纖維分解為小分子的反應機理,，為充分利用自然界豐富的植物纖維資源打下基礎。(4)人類的大腦是用“泛分子”組裝成的最精巧的計算機,。如何徹底了解大腦的結構和功能將是21世紀的腦科學,、生物學、化學,、物理學,、信息和認知科學等交叉學科共同來解決的難題。(5)了解活體內信息分子的運動規(guī)律和生理調控的化學機理,。(6)了解從化學進化到手性和生命起源的飛躍過程,。(7)如何實現(xiàn)從生物分子(biomolecules)到分子生命(molecular life)的飛躍？如何制造活的分子(Make life),，跨越從化學進化到生物進化的鴻溝,。(8)研究復雜、開放、非平衡的生命系統(tǒng)的熱力學,，耗散和混沌狀態(tài),，分形現(xiàn)象等非線形科學問題。

4. 如何揭示納米尺度的基本規(guī)律

　　納米分子和材料的結構與性能關系的基本規(guī)律是21世紀的化學和物理需要解決的重大難題之一,。

　　現(xiàn)在中美日等國都把納米科學技術定為優(yōu)先發(fā)展的國家目標,。錢學森先生說，繼信息科學之后,，納米科學技術可能引起新一輪的產(chǎn)業(yè)革命,。在復雜性科學和物質多樣性研究中，尺度效應至關重要,。尺度的不同,，常常引起主要相互作用力的不同，導致物質性能及其運動規(guī)律和原理的質的區(qū)別,。

　　納米尺度體系的熱力學性質,，包括相變和“集體現(xiàn)象”如鐵磁性，鐵電性,，超導性和熔點等與粒子尺度有重要的關系,。當尺度在十分之幾到10納米的量級，正處于量子尺度和經(jīng)典尺度的模糊邊界中,，此時熱運動的漲落和布朗運動將起重要的作用,。例如金的熔點為1063℃，納米金(5-10nm)的融化溫度卻降至330℃,。銀的熔點為960.3℃,，而納米銀(5-10nm)為100℃。