化学反应的本质及其选控

上一篇 / 下一篇  2010-06-03 11:19:40

  地点:自然基金委某国际项目答辩现场

  恰逢“化学反应的本质及其选控”项目首席杨学明来北京,参加完自然基金委的国际合作项目答辩,他接受了记者的采访。

  杨学明从大连化物所念的硕士,后到美国读博士、博士后,师从诺贝尔奖获得者李远哲,在台湾完成了从学生到独立研究者的蜕变,并在国际上建立了自己的声望。

  2001年,他回到大连化物所,带领科技部973项目“化学反应的本质及其选控”的研究团队,共同攀登化学反应动力学的基础研究高峰。

  记者:化学反应动力学是一门怎样的学科?

  杨学明:自从Hershbach、李远哲、Polanyi因对分子反应动力学的杰出贡献而获得1986年诺贝尔化学奖以来,分子反应动力学得到了蓬勃发展。对化学反应的研究已经深入到原子分子的层次,细致到量子态。

  化学反应是化学的灵魂和化学学科的基础。化学反应的本质是指化学反应是怎样发生的。化学反应的选控,是研究如何控制化学反应。研究这些问题有着重要的科学意义,同时基础科学的研究也可以为现实世界中的问题提供解决方案。

  记者:能举几个例子吗?

  杨学明:我认为最为成功的例子,就是对氟利昂的全球化控制。这对臭氧层的保护意义非常重大。

  因为冰箱里面的制冷剂氟利昂不会分解,制冷效果又好,所以在最开始应用时,人们非常高兴。但后来发现散发到大气中去后,氟利昂会破坏高空臭氧层,这对人类伤害极大。

  1984年,《蒙特利尔协议》签订,大家都知道,如果破坏了臭氧层,人类就没有办法活下去了。所以在科学家的呼吁下,进行了全球化的抵抗氟利昂的行动。

  现在有了氟利昂的替代品,如用氢取代的物质,它的活性比较强,在跑到高层之前大部分就也被破坏掉了,因此不会对高空臭氧层造成很大的破坏。研究臭氧层破洞的美国和德国科学家因此获得了诺贝尔化学奖。这在我们领域里面是非常经典的例子。

  还有一个例子,当航天飞船进入轨道,太空环境中有非常稀薄的氧原子,当航天飞船的速度非常快时,其表面会与氧原子发生何种反应,这种反应的破坏性如何,都需要去做基础研究。

  记者:化学分子反应动力学是一个怎样的交叉学科?973项目的支持对学科的发展有什么意义?

  杨学明:化学有很多的领域,比如材料化学、有机化学、无机化学、药物化学等等,其中每个领域都与日常生活多多少少有关系。

  分子反应动力学是一个交叉学科,因为它应用的方法和技术都是很接近物理的,物理和化学的交叉非常深入。

  以前,我国在这个领域的研究还是比较薄弱的。1999年该项目第一次列入到973计划里,对学科的发展起到了相当重要的作用。以前,这个领域的研究力量各自为战,就像一盘散沙。有了973项目这个平台,整合了各方面的力量,进行合作研究,科学家们也能相互鼓励和帮助。这对于推动我国相关的研究工作是非常重要的。

  记者:5年来,成绩如何?

  杨学明:在观察氢原子和氢分子过渡态中的量子结构的研究方面,有了非常大的进展。在《科学》和《自然》上分别发表了一篇论文。

  过渡态本身的观测是非常重要的,就是要了解在什么情况下能看到,其反应过程是怎样的。这是最简单的化学反应,却不一定能说清楚。尽管一些实验和理论研究给出了一些解释,但是细致的机理仍然不清楚。所以在基本概念上得到澄清,是很重要的。发表在《自然》上的那篇文章,就是给出了其类似于反应的共振现象不是由于共振态引起的,而是由于量子化的势垒型过渡态所引起的。

  《自然》审稿人的评语是:“我认为这是一篇非常重要的论文,其研究成果会引起各种学科里的人的直接关注,特别是在化学和物理的各个领域……(实验上)如此高的分辨率以及理论与实验之间如此的符合,甚至在5年之前还仅仅是人们的梦想……”

  此外,还有一个氟加氢的反应,我们发现氟化氢处在很高的激发态,只要有足够高的浓度,就能产生化学激光,这个机理的研究,能成为教科书里的经典案例。今年 3月份,成果发表在《科学》上。

  项目实施5年来,共发表论文544篇,其中国际378篇。SCI收录了529篇,EI收录7篇,收录率达到98.5%。

  记者:项目组做了很多基础性的工作,比如说理解化学反应的特性。能再举一个例子吗?

  杨学明:再比如化学激光,在美国它是被作为一种空间战略武器来研究,其化学机理的基础性问题就显得非常重要。

  人们知道,激光就是把低能的分子打到高的激发态,粒子束就会产生激光。我们研究的是用化学的方法获得激光。其中,一个关键问题在于如何让化学样品有效脱水,因为水是一种淬灭剂,能导致化学反应不充分。

  课题组发明了一种方法,做到了让样品有效脱水。这种原创性的方法,会给该领域的研究带来具大的推动作用。

  记者:除了厘清概念,项目研究有没有面向实际生产和生活的课题?

  杨学明:“面向大气化学和燃烧化学的自由基和光解离反应动力学研究”就属于这类。

  我们现在面临一个非常重要的问题,就是大气污染。一个是工厂里面排出来的二氧化硫、一氧化碳等,另一个是汽车尾气里面排出来的氮氧化物。与光照反应后,形成各种危害。我们研究这种反应机理,可以在有害气体排出来之前,让它产生别的化学反应,把有害气体处理掉。现在有了一些这样的技术,但是还需要更深入的基础研究做支持。了解这些大气中的化学物质在不同的温度、湿度等条件下,究竟会发生什么不同的反应,这对生产和生活有很现实的指导意义。

  我们实验室的所有设备都是自己设计的,因为只有做好了仪器设备,我们才能做更高水平的工作。我们实验室现有的研究交叉分子束反应动力学的里德堡态氢原子飞渡时间谱装置以及高分辨成像装置都是我们设计的。

  研究过程中,技术和方法上的创新是最重要的一个方面。我经常跟我的学生说,只有掌握了先进的实验技术方法,你的研究工作才能在国际上得到广泛的认可。

  记者:是不是从某种程度上讲,化学的创新就是技术手段的创新?

  杨学明:对,如果你有很好的技术,再加上有很好的思路,你就可能获得更多想要得到的信息。

  我们知道“里德堡态氢原子飞渡时间谱技术”这种方法很好,但是把它应用到你的问题上,或者把它发展到极致,就很不容易。这需要依赖实验上的各种技术的配合,比如激光技术、分子束技术、电子技术等等,这些技术都非常关键,而其可靠性要求也非常高,每样东西的可靠率要在90%以上,否则你就成天要修理各种仪器了。

  记者:除了设备还需要什么条件?

  杨学明:除了好的设备以外,好的研究课题也是非常重要的。做研究你首先需要有一个非常明确的研究方向,并要找到好的研究课题。在我们实验室,一个好的实验一般要两三年才能做出来,所以想清楚今后几年做什么研究课题是一件非常重要的事。

  我非常高兴我们有机会获得了科技部973项目的支持,使我们国家在这个领域的研究有了很大的进步。我也非常感谢科技部对我们973项目的支持,并希望今后还有机会获得这样的支持。

  ■编者按

  “认识化学反应的本质对促进化学学科及其它物质科学和高新技术的发展有着深远的影响。”这是973计划“化学反应的本质及其选控”项目结题报告上开篇的话。虽然我们还不能完全明了化学反应的本质,但从这句话中,对于项目的意义也能体会一二。“以前,这个领域的研究力量各自为战,就像一盘散沙。有了973项目这个平台,整合了各方面的力量,进行合作研究,科学家们也能相互鼓励和帮助。这对于推动我国相关的研究工作是非常重要的。”首席科学家杨学明如是说。


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