白春禮：化學構筑未來生活

　　2011年正值國際純粹與應用化學聯合會的前身國際化學會聯盟（IACS）成立100周年，也適逢居里夫人獲得諾貝爾化學獎100周年。為了紀念化學的成就及其對人類文明的貢獻，2008年，聯合國大會將2011定為“國際化學年”。

　　化學為我們創造了豐富多彩的世界，我們的日常生活幾乎沒有什么能離開化學。雖然也出現過一些發展中的問題，但未來的生活中，從能源到材料、從日用品到醫藥、從生命過程到宇宙演化等，都必將更緊密地依賴于化學。為此，本刊就化學學科發展、存在的問題和前景，專程采訪了著名的物理化學家、中科院院長白春禮。

　　科學世界：作為基礎學科的化學，它跟物理學和生物學的關系是怎樣的？

　　白春禮：物理學與化學其實都屬于物質科學的范疇，研究的對象也主要是自然的物質世界。物理學主要研究物質世界最基本的結構、最普遍的相互作用、最一般的運動規律；而化學呢，研究的是原子與分子層次的相互作用和運動規律，特別是原子、分子的結合與分離并由此導致的物質變化和新物質的產生；生物學的研究以生命為對象，但是隨著科學的發展，生命科學發展到分子水平，又與化學緊密聯系。

　　化學作為中心學科，它是很多學科的基礎。無論是物質世界還是生命現象都與化學緊密相關。化學和物理在研究物質之間的相互作用與組合，它們有很多共同點，需要相同的理論，比如作用力、熱或溫度、做功、能量、數量關系等等，因此都需要數學作為基礎，同時許多物理理論的發展會很快被應用到化學中，形成新的化學分支，比如物理與化學交叉形成了物理化學，量子力學與化學交叉形成了量子化學，光學與化學的結合形成光化學。生命科學在分子水平上離不開化學的支持，疾病的早期診斷與治療、DNA的檢測、藥物分子的開發、生殖與發育、營養與健康等都與化學緊密聯系。

　　另一方面，化學在物質文明方面的作用也關鍵，人類的生活質量得到改善，能源、資源的高效利用，新材料，環境的改善等都與化學緊密相連。因此說化學是一門中心學科。

　　科學世界：20世紀化學發展中有不盡人意的地方嗎？

　　白春禮：我覺得有兩個問題，化學理論沒有得到很好的重視。理論化學的成果和應用沒有得到充分的展示和認可。第二是化學的負面作用被過分夸大。比如，有廣告說“我這洗發水里不含化學東西”，好像沒有化學就是好東西，這說明社會對化學的認知有欠缺，這可能也需要化學家在科普方面多做一些事情，所以我們寄希望于國際化學年，能夠加大這方面科普的力度。

　　化學對人類的貢獻是有目共睹的，但是在發展過程中，確實也造成了對環境的危害，例如DDT最初被認為是很好的殺蟲劑，但是后來發現對環境有害，這是當時人類的認識還沒有達到那個程度。另一方面，人們已經認識到了很多有害有毒試劑、化學品的危害，但是沒有加以很好的控制，給社會也帶來了危害。由于化學與我們日常的生活密切相關，無處不在，一旦有一點危害，人們的感受就很深。但是只要正確評價化學品的危害，采取更加綠色的制造技術，特別是強化生產者的社會責任，化學給環境等帶來的危害是可以控制的。

　　科學世界：為什么說化學理論沒有得到很好的重視？

　　白春禮：物理學的發展建立在理論基礎上，化學也有很強的理論基礎。但是由于物理學的定律數學上很完美，公式也很漂亮，容易得到認可，也容易被記住，而化學會比較復雜一些，也難以用簡單的公式加以描述，所以化學理論往往被忽視，在應用上受到一定的影響。比如，Pauling提出的化學的價鍵理論，它的應用對于理解分子的結構、推動新的分子設計與合成有非常重要的作用。

　　實際上，20世紀出現過一些重要的化學理論。化學完整理論體系的建立促使化學日益完善，量子力學的發展給化學帶來了新的生機。早在1927年，Heitler和London就運用量子力學研究了氫分子的電子結構，他們的工作宣告了量子化學這門新學科的誕生。他們采用的價鍵理論強調通過量子力學來理解化學概念和規律，成功地解釋了Lweis于1916年提出化學鍵的電子配對理論。另外一種流行的量子化學方法是分子軌道理論，它認為電子在整個空間是離域的，可以方便地應用到各種復雜的體系。密度泛函理論的提出促使量子化學方法獲得廣泛應用，這是里程碑似的進展。密度泛函理論通過引入交換關聯近似，能夠以較小的計算量獲得比較準確的計算結果。

　　理論框架與計算方法的發展，使理論與計算化學現在已經滲透到化學的各個分支，還滲透到物理、生物、材料等學科。從小分子反應到生物酶催化，從復雜體系結構表征到功能材料理論設計，理論與計算化學都是不可或缺的。現在已有7位化學家因為對這些領域做出的貢獻獲得了諾貝爾化學獎。

　　科學世界：目前，化學最前沿課題是什么？未來十年化學學科的重點方向是什么？

　　白春禮：在我看來，化學學科本身的重點有幾個：一是要重視分子層次的化學，重視化學的合成,特別是綠色合成、高效催化，創造新的物質；二是要重視分子以上層次或者超分子的化學聚集體的高級結構，探索和認識大分子、超分子、分子聚集體及分子納米結構的形成、構筑、性能以及分子間相互作用的本質，將使復雜化學體系的研究更為系統；高精尖的分析測試技術，如分子影像學等將使化學向更廣度、更深層次的方向延伸；理論與實驗更為緊密的結合將使化學家預測、裁剪、設計分子的能力更為突出，揭示組成-結構-功能之間的關系更為有效；化學與生命科學的交叉，以揭示生命科學中的奧秘，讓人非常期待；就國家戰略需求和可持續發展來說，綠色技術、新能源新材料研究、新資源開發等可持續化學的應用范疇仍然是化學研究的重大前沿。

　　科學世界：在您看來，21世紀化學學科難題都有哪些？

　　白春禮：學科本身發展就是難題，化學從元素的認識與發現到形成周期表，經歷了漫長的過程，而一旦突破，元素化學突飛猛進；當人們對分子、化學鍵的認識深入以后，創造了大量的物質，極大地豐富、改善了我們的生活。化學本身下一步的發展可能是在更大尺度上如超分子、分子納米結構等上的突破，以及單分子尺度上的進一步認識，發展高時間分辨、空間分辨、能量分辨的設備，在分子尺度上觀察物質的轉化等也將是挑戰性的難題。當然，更具挑戰性的難題，可能是如何利用化學的原理與方法，調控生命中的各種過程如信號通路等。

　　21世紀的挑戰不少。對化學而言，能不能解決能源問題、新材料問題、（水）資源問題，都是挑戰，都是不能不做的事業。

　　科學世界：未來能調控生命的過程嗎?

　　白春禮：現在還不清楚，但普通細胞的逆調控，就是多能化，現在已經做到了，這就是誘導干細胞或叫誘導多能干細胞。但是相反的過程，即細胞的分化過程或關于細胞命運的化學調控機制目前還不清楚。對這些過程進行化學研究，可能會對人類命運產生重大或決定性的影響，是化學工作者和生命科學家都需要共同努力的科學難題。

　　大家可能都知道人造生命的說法，這其實是如何利用細胞進行人工控制合成的問題，在化學中叫合成生物學，這里也有很大的挑戰。人能制造生命嗎？或者能夠制造出類似生命的化學機器嗎？十分讓人期待。

　　科學世界：碳化合物為我們提供了各種材料，但富勒烯和石墨烯等還有多長時間才能進入我們的日常生活？

　　白春禮：碳是自然界分布非常普遍的元素，也是生命的骨架。從某種程度上說，有機化學其實就是碳的化學。碳材料獨特的電子結構決定了它幾乎可涵蓋地球上所有物質的性質，甚至相對立的兩種性質，像從最硬到極軟，全吸光到全透光，絕緣體到半導體到導體，絕熱到良導熱、高臨界溫度的超導體等等。碳元素的最大特點之一呢，是存在著眾多同素異形體，像人們熟悉的金剛石和石墨。

　　至于過去25年興起的碳納米材料，包括富勒烯、納米管和石墨烯等，自1996年至今已經有2次5個人因為發現這些功能材料獲得諾貝爾化學獎和物理學獎，顯示了這些材料的重要性。這其中，富勒烯發現最早，它是1985年美國科學家Smalley、Curl和英國科學家Kroto在實驗室里想要模擬宇宙星云環境時偶然發現的，這3位科學家因此獲得1996年諾貝爾化學獎。因為富勒烯完美的結構和超級穩定性，很快成為化學上的明星分子。1990年，富勒烯實現了克量級的實驗室制備，2003年實現了噸級富勒烯的工業化制備，現在世界上已經形成了年產百噸的規模生產，并進入了工業應用階段。實際上，現在富勒烯已經開始走入我們的生活。在許多大商場的化妝品柜臺你能找到許多添加有富勒烯的化妝品，這是因為富勒烯能夠高效地殺滅自由基，具有抗衰老的作用；在體育用品商店有許多高檔的網球拍、高爾夫球頭、保齡球等都添加了富勒烯或用富勒烯處理表面，因為富勒烯能夠給這些材料增加強度和韌性。

　　至于石墨烯，它在2004年才被發現，它有非常好的力學強度和很獨特的電子性質，發現者獲得2010年諾貝爾物理學獎。近幾年，科學家正在研究如何大規模制備這種材料。一旦工業化制備得以實現，應該很快就能夠在日常生活中出現。去年，中科院化學所的科學家合成了一種叫石墨炔的材料，也是一種新型的碳材料，也是非常有潛力的。

　　科學世界：目前，石油、天然氣等是我們的主要能源和資源，在石油化工方面是否還有改進的余地？

　　白春禮：從地下開采的原油成分非常復雜，通常要通過一系列煉制過程才能獲得各種不同的石油產品，如烯烴、汽油、煤油和柴油等。這些產品都是碳氫化合物，但碳鏈的長度和鏈結構不同。為了將長鏈的原油分子裁剪成我們需要的不同長短的碳鏈分子，我們就需要一把剪刀，就是我們通常說的催化劑。早先，人們使用沒有特定結構的硅-鋁材料（無定形），裁剪的效率和精確度很差，后來用了具有規則結構的“分子篩”作為催化劑，裁剪的精確度大大提高了。現在，人們提出了一種“分子煉油”的概念，一方面是從分子水平上了解和區分原油，另一方面就是從分子水平上更精確地裁剪原油的碳鏈，做到市場需要什么，就生產什么。這樣，石油的利用效率就大大提高。這一過程中關鍵還是催化劑和化工過程的創新。

　　天然氣，我們也叫甲烷，是自然界最穩定的有機小分子之一。它的分子中含4個氫原子、一個碳原子，含碳相對較少，燃燒以后排放的CO2自然就少。長期以來作為優良的燃料燒掉了。現在人們發現，這樣簡單燒掉很可惜，沒有很好地利用。人們就希望將它的分子中的氫取出來，作為一種優質高效的氫能來使用。另一方面，人們也希望將只有一個碳的甲烷分子連起來，使它變成類似于汽油和柴油這樣的高品質液體燃料。這一過程的關鍵也是催化劑和化工過程。石油煉制，我們是用催化劑裁剪碳鏈，這里是用催化劑連接碳鏈，概念不一樣，但都是為了能源的高效利用。

　　我國的情況跟世界上很多國家不同，我們大量使用煤。為了更加高效、清潔地利用煤，我們也要大量使用化學手段，比如高效脫去含硫和氮的污染物，將煤氣化，轉化為高效燃料和化學品后間接使用，以及煤燃燒生成大量的CO2的處理和再利用等。

　　科學世界：您是研究納米的專家，請您介紹一下目前納米化學、納米材料在多大程度上介入了我們的生活？

　　白春禮：納米科技源于費曼的幻想，經歷半個世紀的發展，它已逐步從幻想走向了現實。現在人們通過各種渠道一點點認識了“納米”，同時“納米”正在逐步地進入我們的生活，可以說，納米時代已經揭開了序幕。

　　化學和納米科學是交叉融合最好的兩個學科，正在變得密不可分，所以才有納米化學之說。傳統化學研究對象通常包含天文數字的原子/分子，例如1克水包含了約3.346×1022個水分子。從化學角度看，納米結構是原子數目在幾十個到上百萬個之間的聚集體，研究對象變成了納米尺度的物質，或在納米尺度下隔離出來的幾個、幾十個可數原子或分子。因此，納米科技為化學研究開辟了一個新的層次。

　　同時，化學也為納米科技創造了豐富的研究對象。化學的研究對象豐富多彩，是制造物質新品種最多的一級學科，如已知的上千萬種分子和化合物，有很大一部分是人工合成的新品種；而構造復雜的納米結構系統也需要對分子自組織的進一步深入理解。

　　化學家隨心所欲地構造出各種形狀并具有不同性質的納米結構，不僅為納米材料、納米器件、納米藥物的研究提供最重要的基礎，也不斷豐富納米科技的研究內容。隨著科學家對納米科技的認識逐漸由淺入深，產生了大量的變革性理念和技術。如我國科學家提出的“納米限域效應”，通過納米孔道限域、晶面選擇性暴露，以及強相互作用等方法，實現了催化特性的“自由”調控；基于納米催化的世界首創“煤制乙二醇”成套技術，將對我國的能源和化工產業產生重要影響。基于“微/納結構浸潤性可控轉換”原理的納米綠色打印制版技術，有望以“非感光、低成本、無污染、高度自動化”的優勢成為未來印刷制版市場的主流技術，讓我國印刷行業最終“告別污染，走向光明（無需避光）”，再創我國印刷技術的輝煌。

　　納米材料是指某種材料至少在一個維度上小于100納米的材料，零維納米材料例如富勒烯、量子點，一維納米材料例如納米線、納米棒，二維納米材料例如石墨烯等。在我們生活中，納米材料最常見，也早已和我們的生活密不可分，例如我們每個人手上的手機，現在正變得越來越小巧，功能越來越多，待機時間越來越長，就是因為部分應用了納米電極材料和利用納米技術改善電池隔膜；手機上的耐磨高亮鍍層也是由于納米材料和納米技術應用的結果。我們每天開的汽車正因為納米材料的應用而油耗越來越低，穿的衣服正因納米材料的開發和應用變得越來越耐臟和耐磨，走過的道路正因納米復合材料的應用而越來越耐用……我相信，納米科技未來會作出更多貢獻。但納米技術在生活中的應用剛剛開始，還不能說納米時代已經到來了。

　　科學世界：化學在發展中給人類帶來許多有用的東西，但它對環境等負面作用也在增大，引起普遍的關注，您怎么看這個問題？

　　白春禮：化學是創造的科學，創造了大量新物質，化學在解決糧食問題、戰勝疾病、解決能源問題、改善環境問題、發展先進的材料和新技術等方面都發揮了無可替代的作用。

　　化學改造物質世界，在日常生活中無處不在，人們對此已經習以為常，因此，化學的貢獻也往往被人們忽略。而所帶來的負面影響，如對于環境的破壞等容易引起人們的恐慌，往往被夸大。

　　這些負面影響有認識上的問題，有化學工業發展本身不夠綠色，也有監管力度等多方面的問題。我們不能簡單地認為化學的負面影響越來越大，化學家們現在使用新的化學物質的時候已經非常謹慎，他們要經過一系列嚴格的測試和評審，包括毒理、環境效應等，才能推向市場。同時，很多被認為對環境有害的物質已經得到取締，如氟利昂。而且，各種政策法規正在規范危害化學品的使用。2011年國際化學年的主題是“我們的生活，我們的未來”，也就是我們的生活離不開化學，我們的未來也離不開化學。我們應該充滿信心，化學帶來的負面作用是可以消除的。

　　事實上，現在有很多企業不是不知道有些化學品的危害，但是他們為了利益，冒天下之大不韙使用這些有毒有害物質，例如三聚氰胺奶、吊白塊、假雞蛋、假化肥、假農藥等。這些不是化學本身的問題，而是社會責任的問題。

　　現在化學的發展也正在走向綠色。針對傳統的化學工業給環境帶來的污染已十分嚴重的事實，1990年，美國通過了一個“防止污染行動”的法令。1991年，“綠色化學”由美國化學會（ACS）提出并成為美國環保署（EPA）的中心口號，并立即得到了全世界的積極響應。

　　科學世界：您提到的綠色化學是什么概念？

　　白春禮：簡單地說，就是采用一系列的原理、方法和技術，在產品設計、生產和使用過程中避免或盡可能減少有害物質的使用和產生。在制造和應用化學產品時應有效利用（最好可再生）原料,消除廢物和避免使用有毒的和危險的試劑和溶劑。而今天的綠色化學還指能夠保護環境的化學技術。通過使用自然能源，避免給環境造成負擔、避免排放有害物質，利用太陽能為目的的光觸媒和氫能源的制造、儲藏技術的開發，并考慮節能、減少廢棄物排放量。

　　科學世界：綠色化學的興起意味著什么？

　　白春禮：意味著傳統化學向綠色化學的轉變，可以看作是化學從“粗放型”向“集約型”的轉變。綠色化學要求合理地利用資源和能源、降低生產成本，它的研究內容涉及化學的各個方面，包括環境友好產品的設計，原料的綠色化，新的合成路線及方法學，綠色催化，綠色溶劑，綠色化學工藝、過程及系統集成，環境友好和資源優化利用評估準則等，而原子經濟性是綠色化學的核心內容，就是說綠色化學在通過化學轉變獲取新物質的過程中，要充分利用原料分子中的每一個原子。因此這對化學本身的發展也是一個挑戰，要有新的理論和新的技術變革來推動。

　　綠色化學是人類用環境的巨大代價換來的。它說明了化學對環境的負面作用是可以避免的。綠色化學的理念在于不再使用有毒、有害的物質，不再產生廢物，不再處理廢物。它是一門從源頭上阻止污染的化學。這種預防化學污染的新理念和新實踐正逐漸被人們認識、接受、重視，是人們應該傾力去追求的目標。我相信，綠色化學將成為21世紀科學發展最重要的領域之一。

　　科學世界：過去人們常說“學好數理化，走遍天下都不怕”，現在還是那么重要嗎？

　　白春禮：這是在上世紀50年代、甚至是剛剛改革開放時候的說法。因為大家尊重科學、崇尚科學，整個社會對科技高度重視。文革十年，高等教育基本上是中斷的，那個時候出現這種說法，體現了人們對科學的熱情，尤其是那個時候樹立了一些典型，像陳景潤。當時的哥德巴赫猜想，帶動了一大批青年學生學習數學，但是現在隨著經濟的發展，中國的情況有所變化。大家并不把自然科學作為一個最好最大的追求，年輕人也有很多選擇，比如經濟、管理，這些在國民經濟中的比重在增大，也很需要這方面的人才，所以大家都不再把數理化這些自然科學的基本學科當作惟一的選擇。但是相比較而言，在中國，大家對科學的興趣可能比發達國家還要好一些。我們跟國外的一些科學家交流的時候，他們總認為中國的學生，學自然科學的比例要比國外多得多，在美國學習自然科學的、讀到博士的中國人還是很多的。

　　另外，中科院曾經做過一個調研，在中小學生中的統計發現，現在孩子的心目中，科學家的地位已經比原來降低了，在9個職業里已經倒數了。家庭的教育和社會的引導很重要。所以這也是最近中央領導希望加大對科技人物和科學的宣傳力度的原因。

　　科學世界：您能不能對青年學生的化學學習提點建議或寄語？

　　白春禮：很多學生對化學一開始望而卻步，覺得化學可能要記的東西比較多，一些反應、方程式、化學方程式的配平等，有很多方面。另外，化學基本上還是個實驗科學，雖然也有理論化學部分，但是很多化學知識的學習要通過實驗來獲得，那么有的時候，實驗本身、實驗室裝備、設施如果不是在很完善的情況下，條件可能欠缺一點。但是我認為，化學確實是一個非常重要的中心學科，也就是說，化學是一個能夠和很多的學科如物理學、生物學等有很多交叉的學科。從原子、分子層次上來認識分子的作用，了解化學反應，這對其他任何一個學科深入發展都有非常重要的作用。所以，學化學將來無論從學科本身發展而言，還是現在擇業而言，肯定還都是非常重要的。化學、化工、石油化工在國民經濟中所占的比重很大。即使是石油資源發展受到限制，但是我們通過煤，作為化工產品轉化為燃油，也都涉及到化學。如何解決未來的能源問題、環境問題、資源問題、人口健康問題，很多方面都離不開化學。所以說，化學今后的發展也不會隨著學科交叉而消失。