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1、学科进展与展望：《中国科学基金》2002年第2期 21世纪的化学是研究泛分子的科学 徐光宪中国科学院院士(北京大学化学学院稀土材料化学及应用国家重点实验室，北京100871) ［摘要］本文提出21世纪化学的定义,内涵,六大发展趋势,四大难题和11个突破口,以及20世纪化学的一些被忽视的重要盲点。［关键词］21世纪的化学,定义,发展趋势,难题,突破口,盲点 我的专业是化学,我从学化学,教化学,到研究化学已有几十年了,可是现在我却有点搞不清楚化学的定义了。我深深感到科学的发展太快了,需要对本门科学重新认识,
2、重新定位。这是我进入21世纪首先要关注的问题。1一门科学的定义至少有三个属性：1.1整体和局部性 科学是一个复杂的知识体系，好比一块蛋糕。为了便于研究，要把它切成大、中、小块。首先切成自然科学、技术科学和社会科学三大块。在自然科学中，又有许多切法。一种传统的切法是分成数理化天地生等一级学科。近来又有切成物质科学、生命科学、地球科学、信息科学、材料科学、能源科学、生态环境科学、纳米科学、认知科学，系统科学等的分类法。化学是从科学整体中分割开来的一个局部，它和整体必然有千丝万缕的联系,所以学科之间的交叉和相互渗透是必然的趋势
3、。这是它的第一属性。1.2发展性 化学的内涵随时代前进而改变。在19世纪，恩格斯认为化学是原子的科学（参见《自然辩证法》），因为化学是研究化学变化，即改变原子的组合和排布，而原子本身不变的科学。到了20世纪，人们认为化学是研究分子的科学，因为在这100年中，在《美国化学文摘》上登录的天然和人工合成的分子和化合物的数目已从1900年的55万种，增加到1999年年底的2340万种。没有别的科学能象化学那样制造出如此众多的新分子、新物质。现在世纪之交，我们大家深深地感受到化学的研究对象和研究内容大大扩充了，研究方法大大深化和延伸
4、了，所以21世纪的化学是研究泛分子的科学。1.3定义的多维性 一门科学的定义，按照从简单到详细的程度可以分为：(1)一维定义或X定义，X是指研究的对象。(2)二维定义或XY定义。Y是指研究的内容。(3)三维定义或XYZ定义。Z是指研究方法。(4)四维定义或WXYZ定义，W是指研究的目的。(5)多维定义或全息定义。一门科学的全息定义还要说明它的发展趋势、与其他科学群的交叉、世纪难题和突破口等等。这样才能对这门科学有全面的了解。下面以化学为例加以说明。221世纪化学的定义和内涵2.1化学的一维定义 21世纪的化学
5、是研究泛分子的科学。泛分子的名词是仿照泛太平洋会议(PanPacificConference),泛美航空公司(PanAmericanAirLine)等提出的。泛分子是泛指21世纪化学的研究对象。它可以分为以下10个层次：（1）原子层次棗例如近来受到重视的碱金属原子的Bose-Einstein凝聚态。（2）分子片层次棗分子片是指组成分子的碎片，例如［1，2］：一价分子片：CH3,OH,Mn(CO)5,Co(CO)4，二价分子片：CH2,NH,Fe(CO)4,Ru(PR3)4，三价分子片：CH,Co(CO)3,NiCp等。（3
6、）结构单元层次棗例如芳香化合物的母核，高聚物的单体，蛋白质的氨基酸，DNA的A,C,G,T。高级结构单元，如蛋白质的αhelix,βsheet等。（4）分子层次棗研究分子层次的问题有如分子周期律，单分子光谱，单分子监测和控制，分子的激发态，吸附态等。（5）超分子层次棗超分子是二个分子通过非共价键的分子间作用力结合起来的物质微粒。例如环糊精［γ-CD］是一个分子，形似花盆,它的尺度略大于C60的直径，可以把C60包进去，生成1:1和2:1的超分子。艾滋病毒HIV是一个生物大分子，其活性部位，形似环糊精，大小与C60十分接
7、近，它们可以形成超分子。因此，C60可以抑制艾滋病毒HIV。环糊精分子还可作为主体，把其它小分子包在里面，又可作为客体，插入Zr(HPO4)2(H2O)晶体的结构层之间，组装成复杂的超分子体系。（6）高分子层次。（7）生物分子(biomolecules)层次。（8）纳米分子和纳米聚集体层次棗例如碳纳米管、纳米金属、微乳、胶束、反胶束、气溶胶、纳米微孔结构、纳米厚度的膜、固体表面的有序膜、单分子分散膜等。（9）原子和分子的宏观聚集体层次棗固体、液体、气体、等离子体、溶液、熔融体、胶体、表面、界面等。（10）复杂分子体系及
8、其组装体的层次：(ⅰ)复合和杂化分子材料。(ⅱ)分子器件，例如在金丝尖端装上经过巯基化修饰的单层碳纳米管（SWCNT），可以作为M的针尖。又如分子导线、分子开关、分子探针、分子芯片、分子晶体管等。(ⅲ)分子机器，如分子马达在UV光下，能通过4种同分异构体进行旋转
