我的报告主要是基础科学的角度以及对未来化学的希望进行探讨,回顾百年来化学的发展,应该说建立了重要的理论体系,创造了新的物质,这是第一点启示。百年来化学作为一门中心学科,推动了其他学科的发展。百年来化学的发展支撑了人类社会的可持续发展。有几个例子来说明这个观点。
在过去一百年,比如说化学学科自身不断的壮大发展,化学理论的建立促进了化学的日臻完善,比如说在化学理论指导之下,我们对组成分子的化学键的本质,催化机理,分子间相互作用等认识逐步的系统和深入。鲍林提出的价键学说杂化轨道理论,莫利肯提出的分子轨道理论等等,这些理论指导了我们对化学键深刻的认识。我们的研究从小分子反映到化学键的催化,理论与计算化学都是不可或缺的,化学理论的建立和完善使化学本身更加系统,更加深入。
化学强大的创造力是改造物质世界的主要方法和手段之一,化学家合成和制备了数以千万计的化学物质,为化学的壮大发展提供了基石。过去一个世纪新分子从几十万种增加到几千万种以上,成为取之不尽的资源宝库。合成化学对结构和成键有深入的了解,20世纪中期以后化学与生命、材料、能源、环境、信息等学科的交叉融合,不仅推动了化学自身的发展,也催生了众多新兴交叉前沿科学。化学与生命科学交叉过程当中,诞生了生物化学,分子生物学,生物无机和生物有机化学,化学生物学,以及细胞层次的化学。与材料科学交叉融合的基础上,先后产生了材料化学和纳米化学,当然纳米化学不仅仅局限于材料。环境学科交叉中形成了环境化学,并分化出大气化学,水化学,环境毒理等学科。
化学架起了生命科学的桥梁,化学获得了很多诺贝尔奖都是与生命科学密切相关的,从1929年研究辅酶到2008年的绿色荧光蛋白,2009年的核糖体结构和功能,都是架起了化学科学与生命之间的桥梁。生物学家和药学家因为对分子调控和机理的深入认识而获益匪浅,比如说硝酸甘油能够缓解心绞痛,很多年来对机理不是很清楚,上世纪80年代才被药理学家出色的工作所解决,并于1998年获得了诺贝尔生理学和医学奖。硝酸甘油能够释放NO,而NO能使血管扩张,它是一种传递精神信息的信使分子。
化学推动了材料创新,高分子领域有四个诺贝尔奖奠定了高分子工业的基础,1953年提出高分子概念,1963年催化剂获奖,关于高分子物力理论的试验,到2000年一共三位获得了导电高分子领域的发现,可以说这些诺贝尔奖的获得奠定了现在高分子工业的基础。1838年问世了第一种人造塑料,1840年开发出天然橡胶的硫化技术,1907年真正意义上合成塑料,1939年促成了尼龙的商品化,1940年各种通用塑料和特种工程塑料相继问世。高分子材料的问世推动了材料的创新,广泛的满足了人民群众生活的需要。塑料,橡胶和纤维产量巨大,与人民生活密切相关,高分子涂料,胶粘剂被广泛的使用,所以说高分子材料的诞生,推动了材料不断的创新。
第三,化学的发展支撑了人类社会的可持续发展,过去的百年发展当中,化学对人类社会的可持续发展起到了核心作用,现在化学已经渗透到生活的各方面,人民的生活可以改善,甚至是国家安全,化学为新能源,新材料研究,乃至信息、医药、资源和环境方面的发展提供了物质基础和技术保障。比如说化肥,合成氨的方法,结束了人类完全依靠天然氮肥的历史,没有合成氨农作物的产量不能有今天的产量。高分子纤维改善了我们的生活,告别了单纯的依靠大自然赋予的棉、麻、毛、蚕丝编织衣着的时代。
药物是人类健康的守护神,从天然药物到合成药物,比如说吗啡,阿司匹林目前都在使用,不仅是镇痛,降低血液粘稠度,现在老年人每天吃一片阿司匹林。立普妥是降低血脂的,燃料的发明应用使我们的生活更加多姿多彩。化学在能源领域得到了广泛的应用,美国油田的发现,石油在1951年成为超过煤的最主要的燃料来源。由原油当中分离出不同的化学油份,在石油的广泛应用当中不断的改进,最初原油炼油技术是常压蒸馏后来是减压蒸馏,到现在是催化裂解。能源领域催化剂是被广泛使用的,也是不可或缺的。对核能源来说,42年是以军用为目的建立起第一个核反应装置,包括核电在内的和平利用核技术始于1951年,当时美国总统艾森豪威尔提出了和平用核能的计划。用于反应堆的核燃料,和用于调节放射性衰败产生的中子流的控制棒,用过燃料棒的再加工,核废料处理等产生了很好的能源。
短短200年电池成为人类生活不可或缺的宝物,随着电池的发展,化学的身影是无处不在的。最早是意大利的科学家解剖青蛙的时候,发现青蛙有生物电现象,1781年发表了“关于电对肌肉运动的作用”的论文。最早的电池是受到其中的启发而发明的。1859年发明的铅酸蓄电池主要用于各种内燃机车,目前的产量最大,应用最广,目前是很普及的,包括内燃机车,甚至是汽车的蓄电池。1868年发明的锌锰湿电池,到普通干电池,到碱性电池,镍氢电池,更高容量低环境污染记忆效应小,锂电池容量轻,容量大,无记忆效应,目前是大规模使用的。从电池的发展史中可以看到化学所起到的作用。目前太阳能是唯一的取之不尽的,免费的能源,如何把太阳能转化成我们可以使用的能量,是目前科学界研究的一个热点问题。从1839年光伏效应发现以来,54年第一个硅基太阳能电池,1977年第一个非晶硅的太阳能电池,86年有机太阳能电池得到了新的突破,90年代世界太阳能电池产量稳步的增长,95年有薄膜的太阳能电池,07年太阳能的发展达到了高峰,当然目前还有很多技术问题有待于解决。
化学与材料的关系是密不可分的,比如说公路,尤其是沥青路,不管天气多热多冷,长期的受压,载荷使用条件下,外表保持平坦不破坏,建筑维护创新应该说是发挥了重要的作用,使道路的翻修间隔越来越长。化学分子起到了联合添加剂的作用,避免产生车辙和开裂,采用了SPS在路面材料当中。最早的橡胶产品是天然橡胶,19世纪初。1839年发明了天然橡胶的硫化过程,使天然橡胶可以更好的使用,目前的橡胶硫化技术,加入化学促进剂和稳定剂,这样的技术还在使用。1945年合成橡胶实现了商业化的生产,随着轮胎使用的增加有了一些改进,比如用内胎代替实心的橡胶胎,天然的或合成纤维帘子线增强来增加轮胎的强度,减少磨损的添加料,轮胎中化学技术发挥了非常重要的作用。航天火箭推进剂,1926年第一枚火箭是液态氧做氧化剂,航天发射的使用是铝和高氯酸铵作为推进剂。