吳俊明+束婷婷

摘要：世界科學(xué)技術(shù)正在走近新突破時代。概述了化學(xué)學(xué)科發(fā)展的特點和趨勢?？茖W(xué)技術(shù)及化學(xué)學(xué)科新發(fā)展啟示化學(xué)教學(xué)要注重研究思路、方法和創(chuàng)新的感悟、體會與訓(xùn)練；注意學(xué)科思想（觀念）的滲透、領(lǐng)悟和發(fā)展；注重立德樹人，促進全面發(fā)展；激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，不要嚇跑學(xué)生；痛下決心，全面改革課程、教材、訓(xùn)練與考試。

關(guān)鍵詞：科學(xué)技術(shù)；化學(xué)學(xué)科；發(fā)展趨勢；化學(xué)教學(xué)；啟示

文章編號：1005–6629（2016）9–0011–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 世界科學(xué)技術(shù)正在走近新突破時代

在公元1900年之前，經(jīng)典物理學(xué)，包括力學(xué)、熱力學(xué)、電學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等，已經(jīng)形成比較完整的體系。許多人認為物理學(xué)問題已經(jīng)基本解決完了，剩下的只是小修小補的完善工作，以至于被謔稱為“開爾文勛爵”的W·湯姆孫在1899年除夕之夜宣布：“物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成?！比欢驮诖藭r，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了黑體輻射理論的“紫外災(zāi)難”——輻射能量不連續(xù)以及光傳播介質(zhì)“以太”假說破滅“兩朵讓人不安的烏云”。5年以后，這“兩朵烏云”，一個導(dǎo)致量子論誕生，一個導(dǎo)致相對論誕生，使物理學(xué)面貌大變，帶動了科學(xué)在20世紀的突破性發(fā)展。

歷史不會簡單地重復(fù)，但往往驚人地相似?，F(xiàn)今科學(xué)技術(shù)的一些重大發(fā)現(xiàn)，使人們不由地想到：當代科學(xué)技術(shù)正在走近新突破時代。就拿最近的2015年來說吧，在這一年，科學(xué)界有很多出乎意料的發(fā)現(xiàn)[1]。例如：

早在1915年，愛因斯坦就曾根據(jù)相對論推算宇宙中物質(zhì)的平均密度必須達到每立方厘米5×10-30克，而實際觀測到的宇宙的密度卻比這個值小100倍。這意味著，宇宙中的大多數(shù)物質(zhì)本身不發(fā)光、不反射和吸收光，用現(xiàn)有技術(shù)觀察不到，卻有質(zhì)量和引力，是“暗物質(zhì)”。后來一些人提供過暗物質(zhì)的存在證據(jù)，但只是對河外星系觀測結(jié)果做出的假設(shè)。2月9日，歐洲科學(xué)家首次通過對比星體自轉(zhuǎn)速度的方法，從銀河系獲得直接證據(jù)，證實了人類所在的銀河系內(nèi)確實存在暗物質(zhì)。

2月25日，天文學(xué)家宣布，在128億光年遠處的類星體中發(fā)現(xiàn)存在質(zhì)量為太陽120億倍的極其古老超級黑洞，該黑洞在宇宙極其年輕的時候就生成了，亮度是太陽的420兆倍?，F(xiàn)有科學(xué)理論無法解釋如此質(zhì)量巨大、能力極強的黑洞為什么在宇宙大爆炸發(fā)生不久就形成，因此這個發(fā)現(xiàn)將會改寫物理學(xué)。

3月13日，一項最新分子生物學(xué)研究顯示，人類在遠古時代即從周圍環(huán)境獲得必需的基因，而且這種“基因水平轉(zhuǎn)移”會在多種生物的機體間發(fā)生。該研究打破了進化論認定生物完全依賴祖先基因的觀點，說明需要重新分析對進化論的認識。

8月20日，西班牙科學(xué)家首次在實驗室制造出傳導(dǎo)磁場的“蟲洞”時空隧道，并檢測到自然界不可能單獨存在的磁單極子。

8月24日，荷蘭代爾夫特技術(shù)大學(xué)的羅納德·漢森（Ronald Hanson）團隊報道他們的貝爾實驗證實了量子非局域性[2]。

9月23日華盛頓大學(xué)宣布，該?？茖W(xué)家使用網(wǎng)絡(luò)在1.5公里距離內(nèi)，將一個人的思想通過電磁波傳給另一個人，證實人與人的思維可以相連，人的意念和思維是一種物質(zhì)，可以轉(zhuǎn)換成電磁波傳送和接收……

如果再算上2015年之前和之后的發(fā)現(xiàn)暗能量存在的直接證據(jù)[3]、中國科技大學(xué)潘建偉團隊測出量子糾纏的傳輸速度至少比光速高4個數(shù)量級、超大規(guī)模集成電路、超級計算機、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、5G通訊、量子通信、量子計算、高溫超導(dǎo)及超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用、有機發(fā)光半導(dǎo)體（OLED）、人工智能及各種機器人、自動駕駛、先進制造、航天遙控、基因技術(shù)及人類基因組測序、3D打印“活體組織”、數(shù)據(jù)技術(shù)等等以及化學(xué)學(xué)科的一系列新進展，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的突破性發(fā)展就更加驚人了。

2 化學(xué)學(xué)科令人興奮的新進展

在世界科學(xué)技術(shù)正在走近新突破時代這個大背景下，20世紀末以來化學(xué)學(xué)科有許多令人興奮的新進展。例如：

使人“腦洞大開”的發(fā)現(xiàn)：雖然碳元素在19～20世紀就已經(jīng)被化學(xué)家詳細研究過，到了1985年竟然還發(fā)現(xiàn)了球碳（C60）。這個發(fā)現(xiàn)給化學(xué)家很大的震撼并波及其他學(xué)科?？磥?，在一些基本研究領(lǐng)域中還存在著重大的疏漏，應(yīng)該引起重視。以此為開端，化學(xué)家們“補漏查缺”，不但陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一系列富勒烯分子，還發(fā)現(xiàn)了碳納米管（巴基管）、石墨烯等新型的碳。不久前發(fā)現(xiàn)的電子特性各向異性的硼墨烯跟此也不無關(guān)系。

直觀微粒圖像：化學(xué)要跟分子、原子打交道，多少年來，一直有教師、學(xué)生感嘆：要是能直接看到分子、原子，讓化學(xué)的奧秘一覽無遺就好了。這并非異想天開：就在本世紀初，中國科技大學(xué)的研究人員利用掃描隧道顯微鏡，在國際上首次直接拍攝到了能夠分辨出化學(xué)鍵的碳-60單分子圖像，這種單分子直接成像技術(shù)為解析分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)、“切割”和重新“組裝”化學(xué)鍵奠定了基礎(chǔ)，使科學(xué)家設(shè)計新物質(zhì)分子乃至于制備單分子級的納米器件人工“組裝”成為可能。因為這一成果如此富有意義，著名的英國《自然》雜志在2001年1月18日發(fā)表了這一成果[4]。接著，奧地利維也納大學(xué)和德國比勒費爾德大學(xué)的科學(xué)家利用飛秒（1飛秒為千萬億分之一秒）激光技術(shù)在2002年成功地觀測到原子內(nèi)部電子的運動情況[5]；美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）和布朗大學(xué)的科學(xué)家用自由電子激光中的超高亮度X射線脈沖來追蹤化學(xué)反應(yīng)，實時觀察到分子在反應(yīng)中的結(jié)構(gòu)變化和過渡態(tài)分子的形成，英國愛丁堡大學(xué)的科學(xué)家則用同樣方法觀察到碳環(huán)中碳-碳鍵展開等立體化學(xué)過程，觀察到多個反應(yīng)路徑[6]；2013年11月22日，中科院國家納米科學(xué)中心宣布在國際上首次拍到氫鍵的“照片”，實現(xiàn)了氫鍵的實空間成像，為“氫鍵的本質(zhì)”這一化學(xué)界爭論了80多年的問題提供了直觀證據(jù)（圖1照片中4個8-羥基喹啉分子之間的淡色線條即為氫鍵）[7]。這一年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究人員還實現(xiàn)了最高分辨率單分子拉曼成像[8]。

解開一個難題：“水的結(jié)構(gòu)是什么？”是國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志在創(chuàng)刊125周年特刊中提出的125個最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題中僅有的4個“純粹化學(xué)問題”之一*。中國科學(xué)家首次拍攝到了水分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對氫核量子特性進行了精確探測和描述，實現(xiàn)了單個水分子內(nèi)部自由度的成像和水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型的直接識別，并在此基礎(chǔ)上探測到氫核的動態(tài)轉(zhuǎn)移過程，揭示了單個水分子和四分子水團簇的空間姿態(tài)，在國際上首次獲得了單個水分子的高分辨振動譜，同時由此測得單個氫鍵的強度，發(fā)現(xiàn)氫核的量子效應(yīng)足以對水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生顯著的影響，揭示了氫鍵的全量子本質(zhì)，澄清了學(xué)術(shù)界的長期爭論，率先回答了氫原子和氧原子究竟如何形成水分子這一世界難題。endprint

成功設(shè)計和制備多種功能分子：繼美國科學(xué)家研制出分子開關(guān)（2000年）和納米馬達（2003年）之后，中國科學(xué)家研制成功納米“超級開關(guān)”材料（2004年），跟美國科學(xué)家合作成功造出世界首例真實穩(wěn)定可逆單分子電子開關(guān)（2016年）。分子馬達在制造分子機器人（納米機器人）方面的前景十分誘人。2013年4月15日，美國肯塔基大學(xué)藥學(xué)院教授郭培宣（Peixuan Guo）研究組宣布發(fā)現(xiàn)了分子馬達運動的第三種形式，由這種新型的分子馬達，有望制造出新的納米藥物[9]。

生命化學(xué)進展突出：2014年，英國格拉斯哥大學(xué)的科研團隊在不使用DNA的情況下首次創(chuàng)造出可進化的化學(xué)系統(tǒng)，向創(chuàng)造人造生命的可能邁進了一大步[10]。同年，荷蘭阿納姆·奈梅亨大學(xué)的化學(xué)家小組，首次使用聚合物成功制成人工“真核細胞”[11]。2016年，美國科學(xué)家宣布設(shè)計并制造出包含473個維持生命必需基因、具有自我復(fù)制能力的最簡單的人造合成細胞，被認為是生命科學(xué)領(lǐng)域的突破性進展[12]。經(jīng)過多年努力，中科院科學(xué)家通力合作，在2016年成功地通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，首次解析了高等植物（菠菜）的光系統(tǒng)Ⅱ-捕光復(fù)合物Ⅱ超級膜蛋白復(fù)合體的三維結(jié)構(gòu)[13]。清華大學(xué)鐘毅教授結(jié)合分子遺傳學(xué)和行為學(xué)手段探尋遺忘的分子機制并突破性地發(fā)現(xiàn)小G蛋白Rac在遺忘調(diào)節(jié)中的核心地位，也預(yù)示了神經(jīng)元細胞骨架重排可能作為記憶消逝的根本原因，為人們認識遺忘乃至記憶的本質(zhì)提供啟示[14]。

能源化學(xué)進展喜人：我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究人員已于2013年完成了有機廢水乙醇型發(fā)酵生物制氫工業(yè)化示范。尤其突出的是，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所科學(xué)家顛覆了國際化工界沿襲90多年的水煤氣變換制氫過程（簡稱為F-T過程或費托過程），創(chuàng)造性地以CO替代H2來消除烴類形成中多余的氧原子，同時又將氧化物催化劑與分子篩復(fù)合，實現(xiàn)直接采用煤氣化產(chǎn)生的合成氣（純化后CO和H2的混合氣體）在新型復(fù)合催化劑的作用下高選擇性地一步反應(yīng)獲得低碳烯烴，在不改變CO2總排放的情況下，摒棄了高耗能、高耗水的水煤氣變換反應(yīng)，從原理上開創(chuàng)了一條低耗水進行煤轉(zhuǎn)化的新途徑，具有很高的經(jīng)濟效益，被業(yè)界認為是“煤轉(zhuǎn)化領(lǐng)域里程碑式的重大突破”[15]。在新型電池開發(fā)方面，化學(xué)家們也取得了可喜的進展。例如，馬里蘭大學(xué)帕克分校的王春生教授和他的研究團隊用純鎂代替純鋰與硫配對制成鎂電池，能量密度是商用鋰離子電池的4倍左右，充放電達到30次，有望經(jīng)過改進成為未來電池替代安全差的鋰電池用于驅(qū)動電動汽車等[15]。

人工智能應(yīng)用嶄露頭角：在預(yù)測制備釩亞硒酸鹽晶體反應(yīng)條件比試中，美國哈弗福德學(xué)院Norquist團隊的機器學(xué)習(xí)算法以成功率89%對78%勝過有十余年相關(guān)經(jīng)驗的材料化學(xué)家。雖然這場勝利只是一小步，但在不遠的將來，AI（人工智能）或許真的能顛覆化學(xué)家的科研方式，掀起化學(xué)科研革命[17]。伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校的Burke團隊發(fā)明的機器采用通用的化學(xué)反應(yīng)將模塊化的分子組件裝配成所需的目標有機分子。該研究小組已使用這個系統(tǒng)合成出很多種化合物，包括復(fù)雜的大環(huán)和多環(huán)的天然產(chǎn)物[18]。英國曼徹斯特大學(xué)的RossKing計算機科學(xué)家團隊也開發(fā)出一種名為“夏娃”的“機器人科學(xué)家”，這是一個完全自動化的人工智能平臺，有每天篩選成千上萬候選藥物的潛力。該系統(tǒng)能夠建立一個假說，并對其進行測試和解釋結(jié)果，甚至能基于計算結(jié)果進一步精細化輸入，人工的干預(yù)只在補充試劑和處理廢物時才需要。該平臺確定的廣譜抗生素TNP-470已經(jīng)成為可能的抗瘧疾化合物[19]。

……

20世紀以來，化學(xué)學(xué)科的發(fā)展走勢被歸納為：由宏觀向微觀、由定性向定量、由簡單到復(fù)雜，由經(jīng)驗逐漸上升到理論。21世紀初化學(xué)大體上仍然保持了這些走勢，但增加了新的內(nèi)容、呈現(xiàn)了新的特點。細一點說[20～22]：

研究對象更加復(fù)雜?；瘜W(xué)的研究對象擴大到復(fù)雜體系尤其是生命體系，不僅涉及傳統(tǒng)的分子成鍵和斷鍵，即不僅涉及離子鍵和共價鍵那樣的強作用力，而且也涉及復(fù)雜體系中范德華力、π-π堆集和氫鍵等分子間的弱相互作用力。雖然這些作用力較弱，但由此卻組裝成了具有全新性質(zhì)的分子聚集體、分子互補體系或通稱的超分子體系。這種體系具有全新的性質(zhì)，可使通常無法進行的反應(yīng)得以進行。在生物體中最著名的DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)就是由源自氫鍵的堿基配對而形成的。高效的酶催化反應(yīng)和信息的傳遞也是通過分子聚集體進行的。

微觀-介觀層次的研究進一步加強。在研究復(fù)雜體系時，研究如何進行分子識別，研究如何深入控制分子的各種作用力，研究它們的本質(zhì)以及了解分子識別過程，在研究分子層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，闡明分子以上層次結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)變化的化學(xué)基礎(chǔ)，以及結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能的關(guān)系。多少年來化學(xué)家認為性質(zhì)就是由原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)決定的，事實上很多現(xiàn)象早已說明化學(xué)性質(zhì)具有尺度效應(yīng)，尺度改變可以引起化學(xué)性質(zhì)的躍變。所以，現(xiàn)代化學(xué)已經(jīng)開始注意研究介于宏觀和微觀之間的介觀體系（或稱亞微觀體系，例如納米體系），注意復(fù)雜系統(tǒng)的多尺度問題。

領(lǐng)域進一步拓展，視野進一步擴大。現(xiàn)代化學(xué)不但通過吸收其他學(xué)科的新理論和新結(jié)果孕育新的生長點，而且在跟其他學(xué)科交叉、綜合中不斷開拓新的領(lǐng)域，使自身發(fā)展與整體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展融合。

例如，通過合成來理解和最終獲取有各種生物功能的分子，這已經(jīng)成為一個大趨勢?，F(xiàn)今國際上涉及合成化學(xué)的著名刊物，在刊載復(fù)雜分子的合成文章時都注重說明目標分子的生物功能或者它在生物學(xué)上的意義。純化學(xué)觀點出發(fā)的天然產(chǎn)物合成，除了確實具有新奇的結(jié)構(gòu)外，已很難在高水平的雜志上出現(xiàn)，相關(guān)課題也難于獲得科學(xué)基金的資助。

化學(xué)家已經(jīng)從各種動植物出發(fā)制造出一大批天然藥物（包括農(nóng)藥）。在我國，從得天獨厚的中草藥中已經(jīng)分離、鑒定了許多天然產(chǎn)物，在逐步揭示它們的作用機制的過程中提出許多與治療作用密切相關(guān)的合成工作。合成的目標分子已不再僅僅是具有獨特結(jié)構(gòu)的天然產(chǎn)物分子，更著重具有獨特功能的結(jié)構(gòu)。在這方面，屠呦呦獲得諾貝爾獎具有標志性意義。endprint

化學(xué)合成新材料（主要指功能材料）是相對較近期的趨勢。人工晶體、沸石和超導(dǎo)材料等是無機合成的成功例子。從合成設(shè)計和控制講來，無機合成比有機合成困難得多，但由于某些晶體在尖端和敏感領(lǐng)域的特殊需要，有關(guān)的合成工作常常是無可省略、替代的。有機功能材料（包括功能高分子）也是發(fā)展得較快的領(lǐng)域。有機功能材料比較容易從功能出發(fā)進行設(shè)計，也比較容易合成。在工作條件不很苛刻時，有機材料將是十分優(yōu)越的。液晶材料的成功就是很好的例子。近年一些奇特的套環(huán)分子等的合成以及DNA芯片的制備，都顯示了有機材料在作為微電子學(xué)材料方面的前景。有機無機復(fù)合材料以至金屬摻合材料，更是顯示出廣闊的應(yīng)用天地。

社會問題的解決、跟自然界和諧相處、有關(guān)的倫理道德乃至化學(xué)文化等等，都開始進入化學(xué)的視野。

（4）綠色化學(xué)思想及綠色技術(shù)進一步發(fā)展和普及

綠色化學(xué)思想已經(jīng)明確。從綠色技術(shù)的觀點來看，化學(xué)合成應(yīng)該是原料和試劑易得；原料和試劑在反應(yīng)中充分利用（原子經(jīng)濟性）；盡量減少副產(chǎn)物和無法循環(huán)使用的溶劑；低能耗的反應(yīng)條件等。綠色反應(yīng)中減少副產(chǎn)物的基礎(chǔ)，就是高選擇性反應(yīng)。選擇性反應(yīng)也稱作不對稱合成或手性合成控制，目標是將生成消旋體的反應(yīng)控制為只生成其中一個有用的對映體。不對稱合成是一個仍在不斷發(fā)展、充滿挑戰(zhàn)的領(lǐng)域。催化反應(yīng)的重要意義使它在綠色化學(xué)中得到重視。不過，由于催化體系和過程的復(fù)雜性，新的高效催化劑的發(fā)明遠非易事，還沒有脫離經(jīng)驗篩選的范疇。

現(xiàn)在，綠色技術(shù)方面已經(jīng)取得了一些重要發(fā)展：化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)的改變，超臨界二氧化碳的利用，固相反應(yīng)以及非化學(xué)試劑的應(yīng)用包括電化學(xué)反應(yīng)的新應(yīng)用以及光、聲反應(yīng)的新途徑已經(jīng)顯露廣闊的發(fā)展前景。完全由離子組成、在低溫（<100℃）下呈液態(tài)的離子液體（也稱低溫熔融鹽）作為綠色溶劑用于有機及高分子合成時具有不揮發(fā)、無色、無嗅；具有較大的穩(wěn)定溫度范圍、化學(xué)穩(wěn)定性及較寬的電化學(xué)穩(wěn)定電位窗口，可調(diào)節(jié)其對無機物、水、有機物和聚合物的溶解性，可調(diào)節(jié)溶劑酸度至超酸等優(yōu)點，而受到重視。

參考文獻：

[1] http：//blog.sina.com.cn/s/blog_1301247e40102wuq7. html.

[2] http：//mt.sohu.com/20150909/n420692188.shtml.

[3] http：//news.sina.com.cn/o/2003-07-25/0909444209s. shtml.

[4] http：//news.chinabyte.com/287/1220787.shtml.

[5] http：//www.cas.cn/xw/zyxw/yw/201306/t20130606_ 3861366.shtml.

[6] http：//www.x-mol.com/news/668.

[7] http：//www.nanoctr.cn/xwdt/kyjz/201310/ t20131029_3964591.html.

[8] http：//news.sina.com.cn/o/2014-01-25/071929341187. shtml.

[9] http：//news.sciencenet.cn/htmlpaper/201341810-105946928850.shtm.

[10] http：//scitech.people.com.cn/n/2014/1213/c1057-26199936.html.

[11] http：//world.huanqiu.com/exclusive/2014-01/ 4772903.html.

[12] http：//news.mydrivers.com/1/475/475546.htm.

[13] http：//news.xinhuanet.com/tech/2016-05/22/ c_129004905.htm.

[14] http：//www.stdaily.com/kjrb/content/2010-03/16/ content_165917.htm.

[15] http：//news.xinhuanet.com/politics/2016-03/04/ c_1118235820.htm.

[16]下一代電池. 《JACS》報道鎂電池技術(shù)突破. X-MOL發(fā)布于 2015-10-16.

[17]《Nature》封面文章報道.X-MOL發(fā)布于 2016- 05-14.

[18] Science， 2015， DOI： 10.1126/science.aaa5414.

[19] Cutting edge chemistry in 2015. X-MOL發(fā)布于2015-12-15.

[20]王佛松，王夔，陳新滋，彭旭明主編.展望21世紀的化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[21]吳毓林，陳耀全.化學(xué)邁向輝煌的新世紀[J].化學(xué)通報，1999，（1）：3～9.

[22]宋心琦.化學(xué)的明天[M].南寧：廣西教育出版社，1999.endprint