姚建年院士:中国化学给世界带来诸多惊喜

2011-2-10 09:01 来源: 科学时报
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       国家自然科学基金委员会副主任 中国化学会理事长 中国科学院院士 姚建年

  改革开放30年来,与国内各行各业一样,我国的化学科学研究获得了全方位发展,步入了高速发展时期,无论在基础、应用基础研究还是成果转化、实现产业化方面都取得了骄人的成绩。不仅如此,这一领域还涌现出了许多完全自主知识产权的创新成果,发表的学术论文数量和质量都有明显增加和提高,在国际上的影响进一步扩大,国际学术地位得到进一步提升,我国已成为国际化学社会中一支彰显巨大影响的重要力量。

  2010年已经过去,盘点我国化学科研事业在这一年中所取得的突出进展,我们可以看到具有科研成果丰硕、基础研究更加扎实深入、原始创新不断涌现的明显特点。

科研工作取得丰硕成果

  科研成果的数量与质量是衡量科研水平的重要指标之一。2010年,一批化学成果获得了国家科技奖励。继闵恩泽和徐光宪两位老科学家先后获得国家科学技术最高奖之后,在2009年度国家科学技术奖励大会上,化学工作者共获国家自然科学奖、国家技术发明奖和国家科技进步奖40项,占全部获奖项目总数的13.8%。

  数据表明,2010年的化学延续了其在国家科技奖励方面的良好势头,充分展示了我国化学科学的发展和取得的成就,有力证明了化学无论在基础研究还是技术和应用创新研究方面,都对科学、国民经济和社会发展作出了十分重要的贡献。

  发表学术论文是科学家进行学术交流的主要工具,其数量和质量也是检验基础研究水平的重要信标。在2010年,化学学科学术论文的质量与数量齐增长。仅据美国信息科学研究所(ISI)知识网公布的截至2010年6月底的过去10年半的资料统计,由我国科学工作者在被“期刊引文报告”数据库所收录的期刊(即所说的SCI收录期刊)上发表的化学论文总数已经超过日本,居世界第2位。

  2010年,这种势头得到了延续,截至12月20日,Web Science数据库统计的我国发表的化学论文达到16385篇。这些论文中,有许多原创性新成果在国际学术界产生了很大的影响,被包括美国《科学》、英国《自然》、美国《国家科学院院刊》、《美国化学会志》、德国《应用化学》、英国《化学通讯》等在内的国际最著名期刊所评述。

基础研究更加深入原始创新不断涌现

  2010年发表的学术论文表明,我国的传统化学学科不断创新,在新方法新技术的开发、新概念新理论的提出等方面取得了一大批新成果;新兴学科发展迅速,在同一起跑线上参与了国际竞争,部分学科与项目已经崭露头角,该领域在国际上颇具影响力。

  2010年化学学科研究的新方法、新技术不断涌现。光谱分析研究人员提出并建立的壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱(SHINERS)方法,首次在电化学条件下获得了铂、铑等各种原子级平滑单晶上的表面拉曼光谱,成功检测到半导体硅表面的成键物种、活细胞壁的组分乃至橘子皮的残留微量农药。该突破使得表面增强拉曼光谱技术得以检测各类材料的最表层化学组分和应用于任何形貌的基底,作为一种新型超高灵敏度的普适检测技术,将在食品安全、环境保护、医学诊断、材料表面分析、公安等领域具有广阔应用前景。同时,该方法不仅使表面拉曼光谱技术发展得更通用和实用,还有望拓展至表面红外光谱、和频振动光谱和荧光光谱等其他谱学技术。

  化学学科还发展了一种利用水溶性阳离子型共轭聚合物作为荧光探针实现DNA甲基化水平探测的新方法,其灵敏度高、成本低、引物无需荧光标记,而且检测在均相溶液中进行,无需分离、纯化手段,可以方便地用于肿瘤特异性基因标志物的筛选研究;了解相关抑癌基因启动子区CpG岛的甲基化状态,对于及时发现和治疗癌症非常重要,在临床肿瘤早期诊断上具有潜在应用价值。

  此外,我国科学家还提出了包括高温裂解商品化SiC颗粒实现规模化制备高品质无支撑石墨烯材料的方法、模板剥离制备超平滑表面金属纳米结构的方法;实现细胞图案化以及快速高灵敏度高通量检测分析细胞培养、药物刺激与细胞代谢物的微流控分析方法;在纯水溶剂体系中,对氟离子进行快速检测的氟离子检测试纸和对氟乙酰胺等含氟毒物的快速电化学检测的方法;利用苯—氟苯相互作用调控晶体堆积实现单体自组织辅助的无催化剂点击聚合方法,以室温本体聚合所得到的生物相容性好且可降解的类磷脂超支化聚合物为载体,通过连接结合配体或抗体的策略,将不同种类的抗肿瘤药物(如氮芥、阿霉素、紫杉醇等)输送到肿瘤细胞内部来达到抗肿瘤的目的;以聚烯烃或回收聚烯烃为碳源材料制备碳纳米管材料的方法;没有金属参与的、温和条件下合成芳香硼酸酯的方法,以及含氮杂环化合物的不对称氢化策略;胶体和界面化学的“自模板法”和气液界面单层胶体晶体模板新方法;利用同步辐射装置,建立了把同步真空紫外光解离质谱技术与普通的实验室手段相结合用于燃烧化学研究不同方面的方法……

  这些研究对于推动和促进材料制备、有机合成、纳米科学和生命科学的发展显示了重要的科学意义和作用。

  2010年化学基础研究新理论、新概念不断取得突破。科学家通过设计一个世界上最高分辨率的交叉分子束散射实验,首次成功观测到了理论预测的转动量子态为12、13和14的反应共振态分波所引起的3个振荡峰,并且发现理论预测的共振态能量完全达到了光谱精度,又一次实现了反应共振态研究方向上的新突破。

  科学家还利用限域效应机理,在铂表面构建了具有配位不饱和的亚铁纳米结构催化剂,不仅成功实现了在质子交换膜燃料电池真实操作条件下氢气中微量一氧化碳的完全脱除,而且发展出了“界面限域催化”的概念。

  除此之外,科学家还采用蒙特卡罗方法获得了对ABA两亲性三嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装形成囊泡状胶束的动力学过程的模拟结果,对囊泡这一特殊结构的形成机理赋予了新的解释,还对嵌段共聚物在选择性溶剂中的自组装动力学过程有了更深层次的认识。

  新材料不断被发现,并得到研制:新的碳同素异形体——大面积石墨炔薄膜(graphdiyne);潜在的深紫外非线性光学晶体材料——具有无心空间群的新型碱金属硼铍酸盐类;通过控制所施加的电信号就可以实现可控电驱动的碳纳米管/壳聚糖复合物薄膜;利用扫描隧道显微术构筑的存在手性的二维笼目网格结构;可直接释放抗癌药喜树碱且能增加载药量而大大降低了初始暴释,并可同时释放两种药物起到协同治疗效果的生物高分子材料;对丁二烯和异戊二烯聚合有非常高的催化活性并突破了顺1,4-选择性97%极限的催化体系;可以使超过90%的大肠杆菌被抑制且对哺乳动物细胞产生的细胞毒性很小的纸片样宏观石墨烯膜;可以在溶液中的纳米级“中国地图”表面,实现DNA杂交反应并实现可寻址的高灵敏基因检测,以及通过原子力显微镜技术实现对单碱基变异性的高特异性分辨的液态DNA芯片;还有中国古代建筑用糯米灰浆成分之谜的破解等,都是具有重要理论和应用价值的进展。

  我国一直处于国际先进水平的有机/聚合物白光电致发光器件,2010年又取得一系列的新进展,仅据前9个月的统计,“期刊引文报告”数据库收录的有关该领域的961篇论文中有374篇是我国作者发表的,占38.9%,足见我国在该领域的学术地位与影响。

  有机反应是化学和材料科学的基础。2010年新反应与新化合物的分离、表征亦取得较大突破。

  金属催化的碳碳键形成反应是有机化学中最为重要的一类反应,钯催化的交叉偶联反应正是由于其在形成碳碳键方面的重要作用而被授予了2010年的诺贝尔化学奖。

  我国化学家在这方面也取得了很有意义的进展,特别是采用廉价的铜、铁及其盐为催化剂的炔基化反应、三氟甲基化反应、氧化酰胺化/双酮化反应、不活泼芳烃与卤代芳烃的直接偶联反应、3组分生成1,3-二取代联烯的反应等。在钯催化的交叉偶联反应的应用范围拓展至多氟芳烃方面,也取得了突破。

  还有,多种环肽类生物活性物质的全合成以及50余种(其中不少具有抗癌、抗肿瘤、抗菌、抗细胞毒和抑制微生物等生物活性)的新生物碱、萜类等化合物和骨架的分离和结构确定等,也都是有机化学领域的重要进展。

可持续发展成为化学研究工作主题

  在坚持科学发展、可持续发展的理念指导下,我国对绿色溶剂——离子液体的基础物化性质进行了深入的研究,成功应用天然、价廉、可再生的原料制备了多种离子液体;在CO2的转化,分子氧和过氧化氢的绿色氧化、纤维素、木质素、糖类等生物质的转化等方面都有很好的进展,具有重要的借鉴意义。

  比如以手性膦酸为催化剂,用H2O2可以把3位取代的环丁酮通过不对称Baeyer-Villiger反应高选择性地得到相应产物,反映体过量值可以高达93%;在水和有机溶剂中和氢氧化钌催化下,用分子氧实现了伯胺的高选择性氧化;以TiO2担载的Au-Pd双金属为催化剂,高选择性地用空气氧把甘油氧化得到乳酸;用金属纳米粒子和质子酸性离子液体组成的双功能催化体系,将酚类木质素模型化合物一锅有效且低能耗地转化成烷烃;将廉价的三维连通孔结构的介孔活性炭担载的碳化钨用于纤维素的催化转化,使担载的碳化钨催化剂在反应中表现出更高的活性、选择性和稳定性,可以把乙二醇的收率提高到70%以上;在离子液体中,实现了把玉米秆、稻秆和松木等以及糖类等生物质直接转化成重要的化石产品替代物——5-羟甲基糠醛和糠醛的高效低成本方法……

  新型、清洁能源已经成为实现社会和经济可持续发展的关键。目前,国际上的热点领域有:氢能源(燃料电池)及储氢、生物燃料、有机/聚合物太阳能电池和有机染料敏化太阳能电池等。

  2010年,我国科学家在这些领域都做出了突出的工作。比如理论研究发现并由实验证实,水溶液电解质锂离子电池的负极材料会被氧气氧化是造成此类电池容量衰减的主要原因;通过密封除氧和选择合适的电极材料实现了水溶液电解质锂离子电池循环性能的大幅度提高,对推动其在风力、太阳能发电等能量储存、智能电网峰谷调荷和短距离电动公交车等的应用具有重要意义。

  科学家还利用基于含时密度泛函电子动力学的第一性原理对染料敏化太阳能电池中的染料分子的计算结果,为精确调控微观、超快过程,进一步优化此类新型电池的光电转化效率提供了基础;在理论模拟基础上,由1,3,5-三乙炔苯催化聚合制备得到了刷新同等条件下物理吸附储氢纪录的三维微孔共轭聚合物;用模拟天然形成化石燃料地质条件的高温高压水热环境中进行反应的水热液化工艺,将海洋水体富营养化造成海上“绿潮”的大型海藻浒苔转化为生物油,把这一污染“元凶”变成为制造新能源的原材料。

  还有一项有意思的研究:以经过酸预处理的乳牛粪便为原料生产生物氢的最大氢产量高于此前所有报道,既得到了清洁能源,又有助于解决环境污染,还提供了一种同时供应生产甲烷的理想原料的有机废物处理方法,可谓一举三得。

  科学家还使用由研制的新型受体材料构筑的聚合物太阳能电池的填充因子、开路电压和能量转换效率等多项指标为同类体系的文献最高值。

  资源的合理、高效、洁净利用是实现循环经济和可持续发展的有效途径。比如,采用双氧水与乙酸原位产生的过氧酸直接氧化,实现了甾体皂甙元资源100%利用和“零排放”,完成了“百kg”规模的试验。一旦推广,每年将减少约8000吨含铬工业废弃物的产生,同时回收约500吨手性试剂;油田废水处理以及处理后废弃物的高值化应用项目及300吨/年的油田废水处理成套工艺和装置获得成功,都是具有很好的经济与社会效益的重要进展。

应用研究和成果转化有新突破
 

  在2010年,我国的应用及应用基础研究也取得了极其重要的进展,在把科研成果转化为生产力方面有了新的突破。

  “煤制乙二醇”等产业化示范装置的平稳顺利运行和成功试车投产,标志着我国煤基能源化工产业化取得了重大突破,奠定了我国在世界煤基化工产业中的领先地位,对于实施我国以煤代油战略、煤炭资源清洁高效利用和保障国家能源安全具有重要意义。

  大型储能系统和智能电网是太阳能和风能等新型清洁能源的可持续发展所不可或缺的,而且对于安全用电也是极其重要的。继先后研制成功650Ah的钠硫储能单体电池和全钒液流储能电池之后,作为国家电网上海世博园智能电网综合示范工程一部分的100kW/800kWh钠硫储能系统和“太阳能光伏发电—5kW/50kWh液流电池储电”联合供电系统,已分别成功启动运行和实现了连续无故障安全运行。这些成果的取得是产学研合作机制的一大创新。

  纳米材料绿色印刷制版技术在成功建成中试线的基础上,开展了进一步的产业化开发,其成功将对推动印刷行业的技术转化、实现快速环保印刷具有革命性的意义。

 
国际学术影响力明显提升

  我国化学科学的发展引起了国际学术界的高度关注,发表的论文屡屡被作为热点、亮点、顶级十佳论文等给予评述。特别是2010年,英国皇家化学会出版社(RSC)、《先进材料》、《配位化学评论》和《亚洲化学学报》等都为纪念北京大学化学研究与教育百年而出版了专集;《先进材料》还出版了中国科学技术大学专集。

  另外,目前我国已有一批化学家在国际著名学术期刊出任副主编等要职。仅以高分子科学领域为例,就有6种该领域最著名的期刊由我国内地的化学家担任副主编。还有近年来,国际著名期刊约请中国化学家撰写特邀论文的情况屡见不鲜,据对影响因子在10以上的7份专门刊登综述论文的著名期刊统计,仅2010年前7个月就已经发表了中国内地科学家的综述论文68篇,创下了前所未有的新纪录。

  2010年夏天,美、英、德、日等国化学会都派出了高级别的代表团到会参加了在厦门举行的中国化学会第27界学术年会,共同见证了中国化学会成立以来规模最大、水平最高的学术盛典,并主动表示希望加强合作。目前,中国化学会已先后与他们签订了合作协议或合作框架意向书等,使合作进一步制度化并推向深入持久。

  所有这一切都是国际化学界对我国化学家工作的充分肯定,也是我国化学科学的学术影响力明显提升的力证。

  2011年,我们迎来了“十二五”的起步之年,也是联合国的“国际化学年”。我们将围绕国际化学年的主题“化学——我们的生活,我们的未来”开展一系列的活动,以增进公众对化学的认知和了解,提高年轻人对化学科学的兴趣,培养他们对化学未来发展的热情。