白春礼:化学构筑未来生活

2011-3-25 14:32 来源: 中国科学院
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  2011年正值国际纯粹与应用化学联合会的前身国际化学会联盟(IACS)成立100周年,也适逢居里夫人获得诺贝尔化学奖100周年。为了纪念化学的成就及其对人类文明的贡献,2008年,联合国大会将2011定为“国际化学年”。

  化学为我们创造了丰富多彩的世界,我们的日常生活几乎没有什么能离开化学。虽然也出现过一些发展中的问题,但未来的生活中,从能源到材料、从日用品到医药、从生命过程到宇宙演化等,都必将更紧密地依赖于化学。为此,本刊就化学学科发展、存在的问题和前景,专程采访了著名的物理化学家、中科院院长白春礼。

  科学世界:作为基础学科的化学,它跟物理学和生物学的关系是怎样的?

  白春礼:物理学与化学其实都属于物质科学的范畴,研究的对象也主要是自然的物质世界。物理学主要研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律;而化学呢,研究的是原子与分子层次的相互作用和运动规律,特别是原子、分子的结合与分离并由此导致的物质变化和新物质的产生;生物学的研究以生命为对象,但是随着科学的发展,生命科学发展到分子水平,又与化学紧密联系。

  化学作为中心学科,它是很多学科的基础。无论是物质世界还是生命现象都与化学紧密相关。化学和物理在研究物质之间的相互作用与组合,它们有很多共同点,需要相同的理论,比如作用力、热或温度、做功、能量、数量关系等等,因此都需要数学作为基础,同时许多物理理论的发展会很快被应用到化学中,形成新的化学分支,比如物理与化学交叉形成了物理化学,量子力学与化学交叉形成了量子化学,光学与化学的结合形成光化学。生命科学在分子水平上离不开化学的支持,疾病的早期诊断与治疗、DNA的检测、药物分子的开发、生殖与发育、营养与健康等都与化学紧密联系。

  另一方面,化学在物质文明方面的作用也关键,人类的生活质量得到改善,能源、资源的高效利用,新材料,环境的改善等都与化学紧密相连。因此说化学是一门中心学科。

  科学世界:20世纪化学发展中有不尽人意的地方吗?

  白春礼:我觉得有两个问题,化学理论没有得到很好的重视。理论化学的成果和应用没有得到充分的展示和认可。第二是化学的负面作用被过分夸大。比如,有广告说“我这洗发水里不含化学东西”,好像没有化学就是好东西,这说明社会对化学的认知有欠缺,这可能也需要化学家在科普方面多做一些事情,所以我们寄希望于国际化学年,能够加大这方面科普的力度。

  化学对人类的贡献是有目共睹的,但是在发展过程中,确实也造成了对环境的危害,例如DDT最初被认为是很好的杀虫剂,但是后来发现对环境有害,这是当时人类的认识还没有达到那个程度。另一方面,人们已经认识到了很多有害有毒试剂、化学品的危害,但是没有加以很好的控制,给社会也带来了危害。由于化学与我们日常的生活密切相关,无处不在,一旦有一点危害,人们的感受就很深。但是只要正确评价化学品的危害,采取更加绿色的制造技术,特别是强化生产者的社会责任,化学给环境等带来的危害是可以控制的。

  科学世界:为什么说化学理论没有得到很好的重视?

  白春礼:物理学的发展建立在理论基础上,化学也有很强的理论基础。但是由于物理学的定律数学上很完美,公式也很漂亮,容易得到认可,也容易被记住,而化学会比较复杂一些,也难以用简单的公式加以描述,所以化学理论往往被忽视,在应用上受到一定的影响。比如,Pauling提出的化学的价键理论,它的应用对于理解分子的结构、推动新的分子设计与合成有非常重要的作用。

  实际上,20世纪出现过一些重要的化学理论。化学完整理论体系的建立促使化学日益完善,量子力学的发展给化学带来了新的生机。早在1927年,Heitler和London就运用量子力学研究了氢分子的电子结构,他们的工作宣告了量子化学这门新学科的诞生。他们采用的价键理论强调通过量子力学来理解化学概念和规律,成功地解释了Lweis于1916年提出化学键的电子配对理论。另外一种流行的量子化学方法是分子轨道理论,它认为电子在整个空间是离域的,可以方便地应用到各种复杂的体系。密度泛函理论的提出促使量子化学方法获得广泛应用,这是里程碑似的进展。密度泛函理论通过引入交换关联近似,能够以较小的计算量获得比较准确的计算结果。

  理论框架与计算方法的发展,使理论与计算化学现在已经渗透到化学的各个分支,还渗透到物理、生物、材料等学科。从小分子反应到生物酶催化,从复杂体系结构表征到功能材料理论设计,理论与计算化学都是不可或缺的。现在已有7位化学家因为对这些领域做出的贡献获得了诺贝尔化学奖。

  科学世界:目前,化学最前沿课题是什么?未来十年化学学科的重点方向是什么?

  白春礼:在我看来,化学学科本身的重点有几个:一是要重视分子层次的化学,重视化学的合成,特别是绿色合成、高效催化,创造新的物质;二是要重视分子以上层次或者超分子的化学聚集体的高级结构,探索和认识大分子、超分子、分子聚集体及分子纳米结构的形成、构筑、性能以及分子间相互作用的本质,将使复杂化学体系的研究更为系统;高精尖的分析测试技术,如分子影像学等将使化学向更广度、更深层次的方向延伸;理论与实验更为紧密的结合将使化学家预测、裁剪、设计分子的能力更为突出,揭示组成-结构-功能之间的关系更为有效;化学与生命科学的交叉,以揭示生命科学中的奥秘,让人非常期待;就国家战略需求和可持续发展来说,绿色技术、新能源新材料研究、新资源开发等可持续化学的应用范畴仍然是化学研究的重大前沿。

  科学世界:在您看来,21世纪化学学科难题都有哪些?

  白春礼:学科本身发展就是难题,化学从元素的认识与发现到形成周期表,经历了漫长的过程,而一旦突破,元素化学突飞猛进;当人们对分子、化学键的认识深入以后,创造了大量的物质,极大地丰富、改善了我们的生活。化学本身下一步的发展可能是在更大尺度上如超分子、分子纳米结构等上的突破,以及单分子尺度上的进一步认识,发展高时间分辨、空间分辨、能量分辨的设备,在分子尺度上观察物质的转化等也将是挑战性的难题。当然,更具挑战性的难题,可能是如何利用化学的原理与方法,调控生命中的各种过程如信号通路等。

  21世纪的挑战不少。对化学而言,能不能解决能源问题、新材料问题、(水)资源问题,都是挑战,都是不能不做的事业。

  科学世界:未来能调控生命的过程吗?

  白春礼:现在还不清楚,但普通细胞的逆调控,就是多能化,现在已经做到了,这就是诱导干细胞或叫诱导多能干细胞。但是相反的过程,即细胞的分化过程或关于细胞命运的化学调控机制目前还不清楚。对这些过程进行化学研究,可能会对人类命运产生重大或决定性的影响,是化学工作者和生命科学家都需要共同努力的科学难题。

  大家可能都知道人造生命的说法,这其实是如何利用细胞进行人工控制合成的问题,在化学中叫合成生物学,这里也有很大的挑战。人能制造生命吗?或者能够制造出类似生命的化学机器吗?十分让人期待。

  科学世界:碳化合物为我们提供了各种材料,但富勒烯和石墨烯等还有多长时间才能进入我们的日常生活?

  白春礼:碳是自然界分布非常普遍的元素,也是生命的骨架。从某种程度上说,有机化学其实就是碳的化学。碳材料独特的电子结构决定了它几乎可涵盖地球上所有物质的性质,甚至相对立的两种性质,像从最硬到极软,全吸光到全透光,绝缘体到半导体到导体,绝热到良导热、高临界温度的超导体等等。碳元素的最大特点之一呢,是存在着众多同素异形体,像人们熟悉的金刚石和石墨。

  至于过去25年兴起的碳纳米材料,包括富勒烯、纳米管和石墨烯等,自1996年至今已经有2次5个人因为发现这些功能材料获得诺贝尔化学奖和物理学奖,显示了这些材料的重要性。这其中,富勒烯发现最早,它是1985年美国科学家Smalley、Curl和英国科学家Kroto在实验室里想要模拟宇宙星云环境时偶然发现的,这3位科学家因此获得1996年诺贝尔化学奖。因为富勒烯完美的结构和超级稳定性,很快成为化学上的明星分子。1990年,富勒烯实现了克量级的实验室制备,2003年实现了吨级富勒烯的工业化制备,现在世界上已经形成了年产百吨的规模生产,并进入了工业应用阶段。实际上,现在富勒烯已经开始走入我们的生活。在许多大商场的化妆品柜台你能找到许多添加有富勒烯的化妆品,这是因为富勒烯能够高效地杀灭自由基,具有抗衰老的作用;在体育用品商店有许多高档的网球拍、高尔夫球头、保龄球等都添加了富勒烯或用富勒烯处理表面,因为富勒烯能够给这些材料增加强度和韧性。

  至于石墨烯,它在2004年才被发现,它有非常好的力学强度和很独特的电子性质,发现者获得2010年诺贝尔物理学奖。近几年,科学家正在研究如何大规模制备这种材料。一旦工业化制备得以实现,应该很快就能够在日常生活中出现。去年,中科院化学所的科学家合成了一种叫石墨炔的材料,也是一种新型的碳材料,也是非常有潜力的。

  科学世界:目前,石油、天然气等是我们的主要能源和资源,在石油化工方面是否还有改进的余地?

  白春礼:从地下开采的原油成分非常复杂,通常要通过一系列炼制过程才能获得各种不同的石油产品,如烯烃、汽油、煤油和柴油等。这些产品都是碳氢化合物,但碳链的长度和链结构不同。为了将长链的原油分子裁剪成我们需要的不同长短的碳链分子,我们就需要一把剪刀,就是我们通常说的催化剂。早先,人们使用没有特定结构的硅-铝材料(无定形),裁剪的效率和精确度很差,后来用了具有规则结构的“分子筛”作为催化剂,裁剪的精确度大大提高了。现在,人们提出了一种“分子炼油”的概念,一方面是从分子水平上了解和区分原油,另一方面就是从分子水平上更精确地裁剪原油的碳链,做到市场需要什么,就生产什么。这样,石油的利用效率就大大提高。这一过程中关键还是催化剂和化工过程的创新。

  天然气,我们也叫甲烷,是自然界最稳定的有机小分子之一。它的分子中含4个氢原子、一个碳原子,含碳相对较少,燃烧以后排放的CO2自然就少。长期以来作为优良的燃料烧掉了。现在人们发现,这样简单烧掉很可惜,没有很好地利用。人们就希望将它的分子中的氢取出来,作为一种优质高效的氢能来使用。另一方面,人们也希望将只有一个碳的甲烷分子连起来,使它变成类似于汽油和柴油这样的高品质液体燃料。这一过程的关键也是催化剂和化工过程。石油炼制,我们是用催化剂裁剪碳链,这里是用催化剂连接碳链,概念不一样,但都是为了能源的高效利用。

  我国的情况跟世界上很多国家不同,我们大量使用煤。为了更加高效、清洁地利用煤,我们也要大量使用化学手段,比如高效脱去含硫和氮的污染物,将煤气化,转化为高效燃料和化学品后间接使用,以及煤燃烧生成大量的CO2的处理和再利用等。

  科学世界:您是研究纳米的专家,请您介绍一下目前纳米化学、纳米材料在多大程度上介入了我们的生活?

  白春礼:纳米科技源于费曼的幻想,经历半个世纪的发展,它已逐步从幻想走向了现实。现在人们通过各种渠道一点点认识了“纳米”,同时“纳米”正在逐步地进入我们的生活,可以说,纳米时代已经揭开了序幕。

  化学和纳米科学是交叉融合最好的两个学科,正在变得密不可分,所以才有纳米化学之说。传统化学研究对象通常包含天文数字的原子/分子,例如1克水包含了约3.346×1022个水分子。从化学角度看,纳米结构是原子数目在几十个到上百万个之间的聚集体,研究对象变成了纳米尺度的物质,或在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子。因此,纳米科技为化学研究开辟了一个新的层次。

  同时,化学也为纳米科技创造了丰富的研究对象。化学的研究对象丰富多彩,是制造物质新品种最多的一级学科,如已知的上千万种分子和化合物,有很大一部分是人工合成的新品种;而构造复杂的纳米结构系统也需要对分子自组织的进一步深入理解。

  化学家随心所欲地构造出各种形状并具有不同性质的纳米结构,不仅为纳米材料、纳米器件、纳米药物的研究提供最重要的基础,也不断丰富纳米科技的研究内容。随着科学家对纳米科技的认识逐渐由浅入深,产生了大量的变革性理念和技术。如我国科学家提出的“纳米限域效应”,通过纳米孔道限域、晶面选择性暴露,以及强相互作用等方法,实现了催化特性的“自由”调控;基于纳米催化的世界首创“煤制乙二醇”成套技术,将对我国的能源和化工产业产生重要影响。基于“微/纳结构浸润性可控转换”原理的纳米绿色打印制版技术,有望以“非感光、低成本、无污染、高度自动化”的优势成为未来印刷制版市场的主流技术,让我国印刷行业最终“告别污染,走向光明(无需避光)”,再创我国印刷技术的辉煌。

  纳米材料是指某种材料至少在一个维度上小于100纳米的材料,零维纳米材料例如富勒烯、量子点,一维纳米材料例如纳米线、纳米棒,二维纳米材料例如石墨烯等。在我们生活中,纳米材料最常见,也早已和我们的生活密不可分,例如我们每个人手上的手机,现在正变得越来越小巧,功能越来越多,待机时间越来越长,就是因为部分应用了纳米电极材料和利用纳米技术改善电池隔膜;手机上的耐磨高亮镀层也是由于纳米材料和纳米技术应用的结果。我们每天开的汽车正因为纳米材料的应用而油耗越来越低,穿的衣服正因纳米材料的开发和应用变得越来越耐脏和耐磨,走过的道路正因纳米复合材料的应用而越来越耐用……我相信,纳米科技未来会作出更多贡献。但纳米技术在生活中的应用刚刚开始,还不能说纳米时代已经到来了。

  科学世界:化学在发展中给人类带来许多有用的东西,但它对环境等负面作用也在增大,引起普遍的关注,您怎么看这个问题?

  白春礼:化学是创造的科学,创造了大量新物质,化学在解决粮食问题、战胜疾病、解决能源问题、改善环境问题、发展先进的材料和新技术等方面都发挥了无可替代的作用。

  化学改造物质世界,在日常生活中无处不在,人们对此已经习以为常,因此,化学的贡献也往往被人们忽略。而所带来的负面影响,如对于环境的破坏等容易引起人们的恐慌,往往被夸大。

  这些负面影响有认识上的问题,有化学工业发展本身不够绿色,也有监管力度等多方面的问题。我们不能简单地认为化学的负面影响越来越大,化学家们现在使用新的化学物质的时候已经非常谨慎,他们要经过一系列严格的测试和评审,包括毒理、环境效应等,才能推向市场。同时,很多被认为对环境有害的物质已经得到取缔,如氟利昂。而且,各种政策法规正在规范危害化学品的使用。2011年国际化学年的主题是“我们的生活,我们的未来”,也就是我们的生活离不开化学,我们的未来也离不开化学。我们应该充满信心,化学带来的负面作用是可以消除的。

  事实上,现在有很多企业不是不知道有些化学品的危害,但是他们为了利益,冒天下之大不韪使用这些有毒有害物质,例如三聚氰胺奶、吊白块、假鸡蛋、假化肥、假农药等。这些不是化学本身的问题,而是社会责任的问题。

  现在化学的发展也正在走向绿色。针对传统的化学工业给环境带来的污染已十分严重的事实,1990年,美国通过了一个“防止污染行动”的法令。1991年,“绿色化学”由美国化学会(ACS)提出并成为美国环保署(EPA)的中心口号,并立即得到了全世界的积极响应。

  科学世界:您提到的绿色化学是什么概念?

  白春礼:简单地说,就是采用一系列的原理、方法和技术,在产品设计、生产和使用过程中避免或尽可能减少有害物质的使用和产生。在制造和应用化学产品时应有效利用(最好可再生)原料,消除废物和避免使用有毒的和危险的试剂和溶剂。而今天的绿色化学还指能够保护环境的化学技术。通过使用自然能源,避免给环境造成负担、避免排放有害物质,利用太阳能为目的的光触媒和氢能源的制造、储藏技术的开发,并考虑节能、减少废弃物排放量。

  科学世界:绿色化学的兴起意味着什么?

  白春礼:意味着传统化学向绿色化学的转变,可以看作是化学从“粗放型”向“集约型”的转变。绿色化学要求合理地利用资源和能源、降低生产成本,它的研究内容涉及化学的各个方面,包括环境友好产品的设计,原料的绿色化,新的合成路线及方法学,绿色催化,绿色溶剂,绿色化学工艺、过程及系统集成,环境友好和资源优化利用评估准则等,而原子经济性是绿色化学的核心内容,就是说绿色化学在通过化学转变获取新物质的过程中,要充分利用原料分子中的每一个原子。因此这对化学本身的发展也是一个挑战,要有新的理论和新的技术变革来推动。

  绿色化学是人类用环境的巨大代价换来的。它说明了化学对环境的负面作用是可以避免的。绿色化学的理念在于不再使用有毒、有害的物质,不再产生废物,不再处理废物。它是一门从源头上阻止污染的化学。这种预防化学污染的新理念和新实践正逐渐被人们认识、接受、重视,是人们应该倾力去追求的目标。我相信,绿色化学将成为21世纪科学发展最重要的领域之一。

  科学世界:过去人们常说“学好数理化,走遍天下都不怕”,现在还是那么重要吗?

  白春礼:这是在上世纪50年代、甚至是刚刚改革开放时候的说法。因为大家尊重科学、崇尚科学,整个社会对科技高度重视。文革十年,高等教育基本上是中断的,那个时候出现这种说法,体现了人们对科学的热情,尤其是那个时候树立了一些典型,像陈景润。当时的哥德巴赫猜想,带动了一大批青年学生学习数学,但是现在随着经济的发展,中国的情况有所变化。大家并不把自然科学作为一个最好最大的追求,年轻人也有很多选择,比如经济、管理,这些在国民经济中的比重在增大,也很需要这方面的人才,所以大家都不再把数理化这些自然科学的基本学科当作惟一的选择。但是相比较而言,在中国,大家对科学的兴趣可能比发达国家还要好一些。我们跟国外的一些科学家交流的时候,他们总认为中国的学生,学自然科学的比例要比国外多得多,在美国学习自然科学的、读到博士的中国人还是很多的。

  另外,中科院曾经做过一个调研,在中小学生中的统计发现,现在孩子的心目中,科学家的地位已经比原来降低了,在9个职业里已经倒数了。家庭的教育和社会的引导很重要。所以这也是最近中央领导希望加大对科技人物和科学的宣传力度的原因。

  科学世界:您能不能对青年学生的化学学习提点建议或寄语?

  白春礼:很多学生对化学一开始望而却步,觉得化学可能要记的东西比较多,一些反应、方程式、化学方程式的配平等,有很多方面。另外,化学基本上还是个实验科学,虽然也有理论化学部分,但是很多化学知识的学习要通过实验来获得,那么有的时候,实验本身、实验室装备、设施如果不是在很完善的情况下,条件可能欠缺一点。但是我认为,化学确实是一个非常重要的中心学科,也就是说,化学是一个能够和很多的学科如物理学、生物学等有很多交叉的学科。从原子、分子层次上来认识分子的作用,了解化学反应,这对其他任何一个学科深入发展都有非常重要的作用。所以,学化学将来无论从学科本身发展而言,还是现在择业而言,肯定还都是非常重要的。化学、化工、石油化工在国民经济中所占的比重很大。即使是石油资源发展受到限制,但是我们通过煤,作为化工产品转化为燃油,也都涉及到化学。如何解决未来的能源问题、环境问题、资源问题、人口健康问题,很多方面都离不开化学。所以说,化学今后的发展也不会随着学科交叉而消失。