化学中的前沿科学

化学中的前沿科学将成为化学工作者关注的焦点.综述了90年代的化学研究前沿领域和在这一基础上发展起来的新世纪的化学科学所包含的八个层次的物质研究对象.

化学前沿科学研究对象

化学科学是研究原子、分子片、分子、超分子、生物大分子到分子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态的合成反应、分离和分析、结构形态、物理性能和生物活性及其规律和应用的科学.随着新世纪脚步的不断加快,作为物质科学组成之一的化学科学将愈来愈引起世界各国的关注.化学中的前沿科学也将成为化学工作者关注的焦点.

从一定意义上讲,科学论文的发表是科学成果被人们承认的唯一形式.一定频次的引用反映了某篇论文重要性的程度,超高频次的引用,常可认为其研究成果引发了科学研究的热点或在科学研究中取得突破.因此,近期化学科研论文的引用情况也体现了化学学科前沿的科学研究成果,以及当前国际化学前沿的特点和变化趋势和研究方向.据中科院文献情报中心的报道,90年代的化学研究前沿领域有:

(1)富勒烯C60的研究导致发现了自然界一类新的物质――碳的另一种存在形式,并对宇宙内碳循环和经典芳香性的关系这一理论化学的关键问题有了全新的认识,开辟了新的化学研究领域.

(2)模拟程序和密度泛函理论的发展引起整个化学领域的革命,使量子化学成为成千上万化学家手中的工具,可用以预测和阐明物质的化学性质.

(3)对不同管径和缠绕角的单壁碳纳米管的结构和导电性质的研究展示了单壁碳纳米管在纳米分子电子学领域的应用前景.

(4)人工合成新药的发展:天然抗癌药物的人工合成以及用以开发新药的组合化学方法.

(5)组合化学新研究领域的发展打破了传统药物开发的模式,可同时合成和筛选大批生物活性物质,大大缩短了新药开发的时间.组合化学技术还被广泛应用于催化剂的筛选、手性化合物合成等材料科学领域.

(6)仿生聚合物是一种先进材料,它的人工合成向模仿机体功能的“目标”迈进了一步.

(7)分析化学在这一阶段已不再仅仅是化学家手中的工具,它已发展为一门分析科学.它一方面为人们提供关于物质,特别是构成生命的基本物质的组成和结构甚至生命过程的信息;另一方面,在精密分析仪器本身的研制上不断获得进展.

(8)计算机技术的飞速发展使化学家的研究手段产生巨大变革.有关生物大分子(如蛋白质、核酸)多维结构图像实现和精细结构表达的程序及软件包的研究受到化学界的极大关注.

(9)有机反应、不对称合成及催化是90年代以来的持续热点.这是一个有工业应用前景和巨大市场潜力的、一直很活跃的研究领域.

在经历了20世纪的空前繁荣发展后,进入21世纪,化学学科面临着四大难题.第一,合成化学难题――化学反应理论;第二,功能结构化学难题――结构和性能的定量关系;第三,生命现象的化学机制――生命化学难题;第四,纳米尺度难题.徐光宪院士等科学家认为21世纪是信息科学、合成化学和生命科学共同繁荣的世纪,化学的微观方法和宏观方法相互结合,相互渗透这一潮流将进一步向前发展,并提出了新世纪的化学科学包含了对下列八个层次的物质对象的研究:

(1)原子层次的化学:其中包括核化学、放射化学、同位素化学、sp区元素化学、d区元素化学、4p区元素化学、5f区元素化学、超5f区元素化学、单原子操纵和检测化学等.

(2)分子层次的化学:现已合成的2000余万种分子和化合物,通常分为无机、有机和高分子化合物.但近30余年来合成的众多化合物,如金属有机化合物、元素有机化合物、原子簇化合物、金属酶、金属硫蛋白、富勒烯、团簇、配位高分子等很难适应老的分类法.21世纪将研究分子的多元分类法,如按照分子片结合方式和生成的分子结构类型分类,可分为0维、1维、2维、3维分子等.

(3)分子片层次的化学:原子只有110余种,但分子数目已超过2000万种,因此有必要在原子和分子之间引入一个“分子片”的新层次,在21世纪应该开展分子片化学的研究.


(4)超分子层次的化学:其中包括受体和给体的化学、锁和钥匙的化学、分子间的非共价作用力、范德华引力、各种不同类型的氢键、疏水-疏水基团相互作用、疏水-亲水基团相互作用、亲水-亲水基团相互作用、分子的堆积组装、位阻和各种空间效应等.

(5)宏观聚集态化学:其中包括固体化学、晶体化学、非晶态化学、流体和溶液化学、等离子体化学、胶体化学和界面化学等.

(6)介观聚集态化学:包括纳米化学、微乳化学、溶胶-凝胶化学、软物质化学、胶团-胶束化学和气溶胶化学等.

(7)生物分子层次的化学:包括生物化学、分子生物学、化学生物学、酶化学、脑化学、神经化学、基团化学、生命调控化学、药物化学、手性化学、环境化学、生命起源、认知化学和从生物分子到分子生物的飞跃等.

(8)复杂分子体系的化学.从以上分类可以看出,新世纪化学中特别值得关注的有化学信息学、分子片化学、超分子化学、生命化学、纳米化学、理论化学和复杂分子体系的化学等.

随着化学分支学科的重组及其它学科的交叉、融合和不断渗透,21世纪初化学学科的前沿方向与优先领域有:绿色化学与环境化学中的基本化学问题、材料科学中的基本化学问题、合成化学、化学反应动态学、分子聚集体化学、理论化学、分析化学测试原理和检测技术新方法建立、生命体系中的化学过程、能源中的基本化学问题、化学工程的发展与化学基础等.

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