化学学科的前沿方向与优先领域

化学学科的前沿方向与优先领域基础学科在整个自然科学体系中占有十分重要的地位和作用。由基础科学研究产生的大量新思想、新理论、新效应等为应用科学提供了理论基础，对现代技术的发展有巨大的推动作用。国内外大量事实说明，"科学理论不仅更多地走在技术和生产的前面，而且为技术、生产的发展开辟着各种可能的途径"。基础研究是社会与科学发展的基础，而基础学科的建设与发展，是基础科学研究的基础。

化学和其它科学一样，是认识世界和改造世界重要学科。它与物理科学、生命科学等相互渗透，不断形成新的交叉学科。

学科的前沿方向与优先领域为：

（1）合成化学；

（2）化学反应动态学；

（3）分子聚集体化学；

（4）理论化学；

（5）分析化学测试原理和检测技术新方法建立；

（6）生命体系中的化学过程；

（7）绿色化学与环境化学中的基本化学问题；

（8）材料科学中的基本化学问题；

（9）能源中的基本化学问题；

（10）化学工程的发展与化学基础。

今日化学何去何从

今日化学何去何从？对于这个问题有两种回答：第一种回答：化学已有200余年的历史，是一门成熟的老科学，现在发展的前途不大了；21世纪的化学没有什么可搞了，将在物理学

与生物学的夹缝中逐渐消微。第二种回答：20世纪的化学取得了辉煌的成就，21世纪的化学将在与物理学、生命科学、材料科学、信息科学、能源、环境、海洋、空间科学的相互交叉，相互渗透，相互促进中共同大发展。本文主张第二种回答。

1. 20世纪化学取得的空前辉煌成就并未获得社会应有的认同

在20世纪的100年中，化学与化工取得了空前辉煌的成就。这个“空前辉煌”可以用一个数字来表达，就是2 285万。1900年在Chemical Abstracts（CA）上登录的从天然产物中分离出来的和人工合成的已知化合物只有55万种。经过45年翻了一番，到1945年达到110万种。再经过25年，又翻一番，到1970年为236.7万种。以后新化合物增长的速度大大加快，每隔10年翻一番，到1999年12月31日已达2 340万种。所以在这11年中，化学合成和分离了2 285万种新化合物、新药物、新材料、新分子来满足人类生活和高新技术发展的需要，而在1900年前的历史长河中人们只知道55万种。从上面的数字还可以看出，化学是以指数函数的形式向前发展的。没有一门其他科学能像化学那样在过去的100年中创造出如此众多的新化合物。这个成就用“空前辉煌”来描述并不过分。但“化学家太谦虚”（这句话是Nature

杂志在2001年的评论中说的，参见文献[1]），不会向社会宣传化学与化工对社会的重要贡献。因此20世纪化学取得的辉煌成就，并未获得社会应有的认可。

2.20世纪发明的七大技术中最重要的是信息技术、化学合成技术和生物技术

报刊上常说20世纪发明了六大技术：

①包括无线电、半导体、芯片、集成电路、计算机、通讯和网络等的信息技术；

②基因重组、克隆和生物芯片等生物技术；

③核科学和核武器技术；

④航空航天和导弹技术；

⑤激光技术；

⑤纳米技术。

但却很少有人提到包括新药物、新材料、高分子、化肥和农药的化学合成（包括分离）技术。上述六大技术如果缺少一两个，人类照样生存。但如没有发明合成氨、合成尿素和第一、第二、第三代新农药的技术，世界粮食产量至少要减半，60亿人口中的30亿就会饿死。没有发明合成各种抗生素和大量新药物的技术，人类平均寿命要缩短25年。没有发明合成纤维、合成橡胶、合成塑料的技术，人类生活要受到很大影响。没有合成大量新分子和新材料的化学工业技术，上述六大技术根本无法实现。这些都是无可争辩的事实。

但化学和化工界非常谦虚，从来不提抗议。我们应该理直气壮地大力宣传20世纪发明了七大技术，即化学合成（包括分离）技术和上述六大技术。这七大技术发明可以按照人类需要的迫切性和由它们衍生的产业规模的大小来排序：

（1）从人类对七大技术发明的需要迫切性来看，化学合成和分离技术应当排名第一，已如前述，因为它是人类生存的绝对需要，没有它，全世界一半人口要饿死。它还为其余六大技术发明提供了不可或缺的物质基础。国外传媒把哈勃的合成氨技术（Haber process）评为20世纪最重要的发明，是很有道理的。排名第二的是信息技术，第三是生物技术，以下依次是航空航天技术，核技术，纳米技术和激光技术。也许有人会问汽车产业不是比飞机还重要吗？但第一辆内燃机汽车是德国人在1886年发明的，所以汽车、火车、炼钢等都是19世纪发明的重大技术。而合成氨技术是哈勃（Haber）在1909年发明，在1918年因而获得诺贝尔化学奖。高分子合成技术是20世纪50年代发展起来的。新药物、新材料的合成更是近50年的事。因此合成化学技术是20世纪的重大发明。

（2）从20世纪的七大技术发明衍生的产业规模及其对世界经济的影响来看，排名次序如下：第一是信息产业，第二是由化学合成（包括分离）技术衍生的石油化工、精细化工、高分子化工和药物、农药工业等产业，以及从空气中分离出氧气和氮气，从电解水中分离出氢气，作为电动汽车的燃料，为解决将来水资源缺少的海水淡化产业等。第三是飞机、航天、人造卫星及导弹产业，第四是核电站和核工业。这4个产业都是非常大的产业。其中在核产

业中，有很大一部分是化工产业，如核燃料的前处理和后处理工业，重氢、重水工业、稀有元素冶炼工业等，又如信息产业和航空航天导弹卫星产业中，都依靠冶金、稀有元素冶炼和高分子等化学合成产业。

相对于前述4个产业而言，排在第五的生物技术产业、排在第六的纳米技术产业和排在第七的激光技术产业这3个现在还是小产业。其中纳米产业实际上是化学家发明C60等巴基球和碳纳米管等衍生出来的合成化学产业，以及用各种方法把化学物质制成纳米尺度的合成产业。

所以20世纪和21世纪上半叶理应称为信息和化学合成时代，要到21世纪下半叶才能称为生物技术时代，因为目前生物技术的实际应用和产业规模还很小，远远不及信息产业和合成化工产业。

3.化学是一门中心科学

化学是一门中心科学，化学与生命、材料等八大朝阳科学有非常密切的联系，产生了许多重要的交叉学科，但化学作为中心学科的形象反而被其交叉学科的巨大成就所埋没。

（1）化学是一门承上启下的中心科学。科学可按照它的研究对象由简单到复杂的程度分为上游、中游和下游。数学、物理学是上游，化学是中游，生命、材料、环境等朝阳科学是下游。上游科学研究的对象比较简单，但研究的深度很深。下游科学的研究对象比较复杂，除了用本门科学的方法以外，如果借用上游科学的理论和方法，往往可收事半功倍之效。化学是中心科学，是从上游到下游的必经之地，永远不会像有些人估计的那样将要在物理学与生物学的夹缝中逐渐消亡。

（2）化学又是一门社会迫切需要的中心科学，与我们的衣、食、住（建材、家具）、行（汽车、道路）都有非常紧密的联系。我国高分子化学家胡亚东教授最近发表文章[2]指出：高分子化学的发展使我们的生活基本被高分子产品所包围。化学又为前述六大技术提供了必需的物质基础。

（3）化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大朝阳科学（sun-rise sciences）都有紧密的联系、交叉和渗透的中心科学。

化学与八大朝阳科学之间产生了许多重要的交叉学科，但化学家非常谦虚，在交叉学科中放弃冠名权。例如“生物化学”被称为“分子生物学”，“生物大分子的结构化学”被称为“结构生物学”，“生物大分子的物理化学”被称为“生物物理学”，“固体化学”被称为“凝聚态物理学”，溶液理论、胶体化学被称为“软物质物理学”，量子化学被称为“原子分子物理学”等。

又如人类基因计划的主要内容之一实际上是基因测序的分析化学和凝胶色层等分离化学，但社会上只知道基因学，看不到化学家在其中有什么作用。再如分子晶体管、分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的，但开创这方面研究的化学家却不提出“化学器件学”这一新名词，而微电子学专家马上看出这些研究的发展远景，并称之为“分子电子学”。

又如化学家合成了巴基球C60，于1996年被授予诺贝尔化学奖，后来化学家又做了大量研究工作，合成了碳纳米管。但是许多由这一发明所带来的研究被人们当作应用物理学或纳米科学的贡献。

内行人知道分子生物学正是生物化学的发展。在这个交叉领域里化学家与生物学家共同奋斗，把科学推向前进。但在中学生或外行看来，“分子生物学”中“化学”一词消失了，觉得化学的领域越来越小，几乎要在生物学与物理学的夹缝中消亡。

这样，化学这门重要的中心科学（central science）反而被社会看作是伴娘科学（bridesmaid science）而不受重视。世界著名的Nature杂志也为化学家鸣不平，在2001年发表了社论[1]说：“化学的形象被其交叉学科的成功所埋没”。但化学家仍然很谦虚，居然不喊不叫也不抱怨。化学家的谦虚本是美德，但因此而在社会上造成化学是落日科学（sunset science）的印象，吸引不到优秀的年轻学生，这个问题就大了。

4.化学有没有理论？

有人说：“化学没有理论，只是一堆白菜，21世纪的化学没有什么可搞的了”。这也是化学不被认同的理由之一。对于这个问题，我国著名化学家唐敖庆院士有很好的回答，他指出19世纪的化学有三大理论成就：

①经典原子分子论，包括建筑在定比、倍比和当量定律基础上的道尔顿原子论，以及包括碳4价及开库勒提出的苯分子结构等工作为中心内容的分子结构和原子价理论。

②门捷列夫的化学元素周期律。

③C．M．古尔德贝格和P．瓦格提出的质量作用定律是宏观化学反应动力学的基础。

道尔顿的原子论和门捷列夫的化学元素周期律对于20世纪玻尔建立原子的壳层结构模型具有十分重要的借鉴作用。所以化学和物理学这两个姐妹学科是互相促进的。

20世纪的化学也有三大理论成就：

①化学热力学，可以判断化学反应的方向，提出化学平衡和相平衡理论。

②量子化学和化学键理论，量子化学家鲍林提出的氢键理论和蛋白质分子的螺旋结构模型，为1953年沃生和克里克提出DNA分子的双螺旋模型奠定了基础，后者又为破解遗传密码奠定基础。所以化学与生物学也是互相促进的。

③20世纪60年代发展起来的分子反应动态学。

没有这三大理论，要取得合成2 285万种化合物的辉煌成就是不可能的。因此，“化学没有理论，只是一堆白菜”的说法，是不公正的。

到了21世纪，世界数学家协会提出七大数学难题，筹集了700万美元，悬赏100万美元给每一个难题的解决者。

物理学提出了五大理论难题：

①4种作用力场的统一问题，相对论和量子力学的统一问题。

②对称性破缺问题。

③占宇宙总质量90％的暗物质是什么的问题。

④黑洞和类星体问题。

⑤夸克禁闭问题等。

21世纪的生物学也有重大难题和奋斗目标：

①后基因组学和人类疾病的消除。

②蛋白质组学。

③脑科学。

④生物如何进化？生命如何起源等。

但化学家又比较谦虚，好像没有人明确提出哪些是化学要解决的世纪难题。这样与物理学和生物学相比，就会显得化学没有什么伟大的目标了。其实化学家心目中是有自己的奋斗目标的，只是不愿多说。但这又造成“化学无理论”的错误印象。这是近年来在世界范围内出现的淡化化学的思潮的主观原因之一。那么化学果真提不出重大难题吗？作者曾经初步提出21世纪化学有四大难题［3］。

5.21世纪化学的四大难题

（l）化学的第一根本规律（第一个世纪难题）：建立精确有效而又普遍适用的化学反应的含时多体量子理论和统计理论。

化学是研究化学变化的科学，所以化学反应理论和定律是化学的第一根本规律。19世纪C．M．古尔德贝格和P．瓦格提出的质量作用定律，是最重要的化学定律之一，但它是经验的、宏观的定律。

H．艾林的绝对反应速度理论是建筑在过渡态、活化能和统计力学基础上的半经验理论。过渡态、活化能和势能面等都是根据不含时间的薛定愕第一方程来计算的。所谓反应途径是按照势能面的最低点来描绘的。这一理论和提出的新概念虽然非常有用，但却是不彻底的半经验理论。

近年来发展了含时Hartree-Fock方法，含时密度泛函理论方法，以酉群相干态为基础的电子-原子核运动方程理论，波包动力学理论等。但目前这些理论方法对描述复杂化学体系还有困难。

所以建立严格彻底的微观化学反应理论，既要从初始原理出发，又要巧妙地采取近似方法，使之能解决实际问题，包括决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应？能否生成预期的分子？需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应？如何在理论指导下控制化学反应？如何计算化学反应的速率？如何确定化学反应的途径？等等，是21世纪化学应该解决的第一个难题。

（2）化学的第二个世纪难题：分子结构及其和性能的定量关系。

这里“结构”和“性能”是广义的，前者包含构型、构象、手性、粒度、形状和形貌等，后者包含物理、化学和功能性质以及生物和生理活性等。虽然W．Kohn从理论上证明一个分子的电子云密度可以决定它的所有性质，但实际计算困难很多，现在对结构和性能的定量关系的了解，还远远不够。要大力发展密度泛函理论和其他计算方法。这是21世纪化学的第二个重大难题。例如：

①如何设计合成具有人们期望的某种性能的材料？

②如何使宏观材料达到微观化学键的强度？例如“金属胡须”的抗拉强度比通常的金属丝大一个数量级，但还远未达到金属-金属键的强度，所以增加金属材料强度的潜力是很大的。又如目前高分子纤维达到的强度要比高分子中的共价键的强度小两个数量级。这就向人们提出如何挑战材料强度极限的大难题。

③溶液结构和溶剂效应对于性能的影响。

④具有单分子和多分子层的膜结构和性能的关系。以上各方面是化学的第二个根本问题，其迫切性可能比第一个问题更大，因为它是解决分子设计和实用问题的关键。

（3）化学的第三个世纪难题：生命现象中的化学机理问题。

充分认识和彻底了解人类和生物体内分子的运动规律，无疑是21世纪化学亟待解决的重大难题之一。例如：

①研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理，这是药物设计的基础。

②化学遗传学为哈佛大学化学教授Schreiber所创建。他的小组合成某些小分子，使之与蛋白质结合，并改变蛋白质的功能，例如使某些蛋白酶的功能关闭。这些方法使得研究者们不通过改变产生某一蛋白质的基因密码就可以研究它们的功能，为开创化学蛋白质组学，化学基因组学（与生物学家以改变基因密码来研究的方法不同）奠定基础。因此小分子配体与生物大分子受体的相互作用的机理，是一个重大的理论化学问题，值得人们关注。

③光合作用的机理──活分子催化剂叶绿素如何利用太阳能把很稳定的CO2和H2O分子的化学键打开，合成碳水化合物[CH2O]n，并放出氧气，供人类和其他动物使用。

④生物固氮作用的机理。

⑤搞清楚牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理，为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。

⑥人类的大脑是用“泛分子”组装成的最精巧的计算机。如何彻底了解大脑的结构和功能将是21世纪的脑科学、生物学、化学、物理学、信息和认知科学等交叉学科共同来解决的难题。

⑦了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理。

⑧了解从化学进化到手性和生命起源的飞跃过程。

⑨如何实现从生物分子（biomolecules）到分子生命（molecular life）的飞跃？如何制造活的分子（make life），跨越从化学进化到生物进化的鸿沟。

⑩蛋白质和DNA的理论研究。

（4）化学的第四个世纪难题：纳米尺度的基本规律。

当尺度在十分之几到10 nm的量级，正处于量子尺度和经典尺度的模糊边界（fuzzy boundary）中，有许多新的奇异特性和新的效应，新的规律和重要应用，值得理论化学家去探索研究。下面举例说明纳米效应：

①如以银的熔点和银粒子的尺度作图，则当粒子尺度在150 nm以上时，熔点不变，为960.3 ℃，即通常的熔点。以后熔点随尺度变小而下降，到5 nm时为100 ℃。又如金的熔点为1 063 ℃，纳米金的熔化温度却降至330 ℃。在纳米尺度，热运动的涨落和布朗运动将起重要的作用。因此许多热力学性质，包括相变和“集体现象”（collective Phenomena）如铁磁性、铁电性、超导性和熔点等都与粒子尺度有重要的关系。

②纳米粒子的比表面很大，由此引起性质的不同。例如纳米铂黑催化剂可使乙烯催化反应的温度从600 ℃降至室温。这一现象为新型常温催化剂的研制提供了基础，有非常重要的应用前景。纳米催化剂能否降低反应活化能？这是值得研究的一个理论问题。

③当代信息技术的发展，推动了纳米尺度磁性（nanoscale magnetism）的研究。

④电子或声子的特征散射长度，即平均自由程，在纳米量级。当纳米微粒的尺度小于此平均自由途径时，电流或热的传递方式就发生质的改变。

⑤与微粒运动的动量p＝mV相对应的de Broglie波长l=h/p，通常也在纳米量级，由此产生许多所谓“量子点”（quantum dots）的新现象。所以纳米分子和材料的结构与性能关系的基本规律是21世纪的化学和物理需要解决的重大难题之一。

6.化学家缺少品牌意识，没有在社会上树立化学的美好品牌

化学没有树立品牌，化学与化工被认为是污染源，这也是缺少生源的原因之一。其实，造成环境污染的不仅仅是化学，更重要的是森林破坏，水土流失，沙漠化和沙尘暴，汽车尾气排放，煤燃烧等。而分析、监测、治理环境污染的正是化学家。化学家已提出绿色化学的奋斗目标。化学家不但要认识世界、改造世界，还要保护世界。

参考文献

1.（自然）杂志社论：化学形象被与其交叉学科的成功埋没．科学时报，2001-6-8（3）

2.胡亚东．化学：串起生活每一刻．科学时报，2002-7-8（中学生科技-3）

3.徐光宪．科学通报，2001，46（24）：2086

（北京大学化学与分子工程学院徐光宪院士

摘自《大学化学》2003年第1期）

惊人成果川大教授证明一诺奖化学理论有错

□“擂主”：

马尔古斯（美国化学家１９９２年诺贝尔化学奖获得者）

□目标：

非平衡溶剂化理论

□挑战者：

李象远、傅克祥（川大教授）

□攻关：

非平衡溶剂化理论违背了热力学基本原理，错误地对非可逆途径使用了可逆功积分方法，得到的非平衡自由能表达式是错误的。

□结论：

我国理论化学研究取得重大原创性突破，达到了国际领先水平

日前从四川大学传出一惊人消息，该校化工学院计算化学研究室博士生导师李象远教授与物理学院傅克祥教授已证明目前国际上流行的非平衡溶剂化理论存在重大基础错误！这不仅动摇了传统非平衡溶剂化理论的基石，而且建立起了全新的非平衡溶剂化理论新体系和一系列相关的理论模型，并对历史上一些理论预测和实验结果互相矛盾的重要遗留问题给予了

圆满解释。据悉，这是我国在理论化学基础研究领域近年来取得的一项重大原创性成果，达到了国际领先水平。

据悉，该理论的主要创立者、美国化学家马尔古斯（Ｒ．Ａ．Ｍａｒｃｕｓ）正是凭借在电子转移及其溶剂效应理论方面的贡献获得１９９２年诺贝尔化学奖的。

昨天下午，记者获得这一消息后，第一时间赶往四川大学采访。几经周折，我们终于见到李象远教授，但他的第一句话就给我们泼了冷水：“我们搞基础理论研究的，不追求新闻效应，只想踏踏实实地弄清科学问题，还原科学事件的本来面目。”他认为，搞技术开发才需要引起公众的注意，因为那将有助于工作的开展。几经“游说”，李象远在他的办公室接受了记者的“非正式”专访。

挑战的起因

偶尔“误差”让他们大胆质疑

李象远教授在川大化工学院计算化学研究室工作，而傅克祥却是物理学院的教授，他们怎么会走到一起？

李象远说，一个偶然的机会促成了他们的“理化搭配”：研究化学的李象远２０多年前就注意到了非平衡溶剂化理论，并时时为该理论应用在实验中偶尔出现的“误差”感到困惑。而一般科学家的做法是自己调整参数，以使实验“适应”国际上流行的研究模式、曾获得诺贝尔化学奖的非平衡溶剂化理论。但李象远却敏锐地意识到，该理论有缺陷，只是自己也不清楚缺陷究竟在什么地方。傅克祥了解到李象远的困惑后，以一个“外行”的身份和他进行了探讨，并从电动力学的角度进行了分析，进而从热力学的角度大胆猜想：马尔古斯在建立非平衡溶剂化理论时，是不是一开始便违背了热力学基本原理，错误地对非可逆途径使用了可逆功积分方法，因而得到的非平衡自由能表达式是完全错误的呢？

挑战的进程

６年时间枯燥乏味中艰苦攻关

“猜想”出来后，甚至连他们自己都吓了一跳。毕竟这是一项获得过诺贝尔化学奖的成果，况且在学界多年的应用中，尽管存在一些小的问题，但总体来说还是成功的。对科学真理的追求却让他们不能停步——１９９９年，李象远和傅克祥开始了艰苦攻关，后来连李象远读研究生时的导师也感到“这个课题很有意思”，而主动加入其中。

理论研究是枯燥甚至乏味的，反复地推算，不断地反驳……不像实验科学家还有实验室，他们只有纸、笔和电脑。他们发挥学科交叉的研究优势，从物理、化学两个方面进攻，通过大量细致的基础理论工作，最终证明了非平衡溶剂化理论存在重大基础错误，从而对这套理论体系提出了挑战，动摇了非平衡溶剂化理论的基石，并建立起了全新的非平衡溶剂化理论新体系和一系列相关的理论模型，对历史上一些理论预测和实验结果互相矛盾的重要遗留问题给予了圆满解释。

理化联动动摇原有理论基石

原有理论体系是由以诺贝尔化学奖获得者马尔古斯教授为代表的众多著名理论化学家在近５０年的时间里建立起来的。李象远、傅克祥的最新研究表明，当年年仅３２岁的马尔古斯在建立非平衡溶剂化理论时，一开始便违背了热力学基本原理，错误地对非可逆途径使用了可逆功积分方法，因而得到的非平衡自由能表达式是完全错误的。这一发现从根本上动摇了整套非平衡溶剂化理论的基石，使得基于此自由能表示建立起来的所有理论模型和计算方法失去了合理性。他们的理论推演表明，从定量角度看，目前流行的非平衡溶剂化理论高估溶剂效应一倍左右，这样的差别会在反应速率计算上产生达两个数量级的误差，从而在历史上遗留下很多理论预测和试验结果大相径庭的问题。

挑战的结果

多次受挫论文曾屡屡被“毙”

非平衡溶剂化理论从发展到广泛应用经历了半个世纪，质疑这样一套完整的理论体系，需要从不同角度进行论证，弄清不同科学家所发展的理论中存在的错误以及其相互联系。此

外，新理论本身首先必须完美自洽，同时还应能圆满解释实验事实。李象远、傅克祥的攻关直到２００４年才算有了眉目，但他们并没有如释重负般的轻松感，他们还需要将新理论介绍出去，让全球化学界了解中国人的贡献。他们没想到的是，论文寄出去后，几乎没有发表的可能。原因是国际权威学术刊物刊登论文，总是会找本领域的权威专家审稿，而化学界的“大腕”多数都对非平衡溶剂化理论有贡献。曾为非平衡溶剂化理论作出过重要贡献、目前在国际化学界炙手可热的美国科学家牛顿（Ｍ．Ｄ．Ｎｅｗｔｏｎ）后来告诉李象远，他就曾５次“毙”了李象远、傅克祥的论文，因为他认为“这样的论文不值一看”。

苦尽甘来论文“荣登”顶级刊物

据介绍，李象远、傅克祥等建立新理论体系的约１０篇研究论文已在重要国际期刊《计算化学学报》（《ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ（ＩＦ＝３．２）》）、《化学物理》（《ＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ》）等连载发表，研究成果也多次应邀在美国化学会全国会议等国际会议上报告。国际刊物《理论与计算化学学报》（《ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ》）更是邀请李象远教授等就此新理论体系撰写综述文章在该刊发表，审稿人认为这项成就“是中国科学家对整个理论化学界的重大贡献。”据悉，《理论与计算化学学报》今年９月号将以８０多页的篇幅刊载李象远等详细介绍新理论的文章。

挑战的延伸

学术争论网上“敌人”成朋友

学术的争论永远不会停止。牛顿、费沃德尔霍夫（Ｕ．Ｂ．Ｆｅｌｄｅｒｈｏｆ美国）等国际溶剂化理论权威科学家同李象远等开展了大量平等而友好的多方学术讨论和争论。通过论文发表、学术报告和学术讨论，计算化学研究室发展的新理论体系已经得到了国际同行越来越广泛的认可。著名溶剂化理论专家、德国科学家凯尔特（Ａ．Ｋｌａｍｔ）教授专门向李象远致信承认自己“对非平衡化的处理是不合适的。”今年初，牛顿主动找到李象远索取

更详细的资料，并计划近期来川大与李象远、傅克祥等进行面对面的交流。

新的问题原创者要携手挑战者

通过学术交流，马尔古斯与李象远、傅克祥成了好朋友，并在北京和韩国等地多次会面进行探讨。另外，牛顿、费沃德尔霍夫、凯尔特等权威专家与李象远等在网上建立了密切的联系，常常“群发”电子邮件进行深入探讨，希望更加完善新理论。现年已８０多岁的马尔古斯承认了新理论的观点，但他还有一点没有想通的是，１９５９年前苏联科学家曾用量子场论的方法做过类似研究，也得出了类似结论，“他们又错在哪里？”他也正积极与李象远一道进行分析，希望能得出一个最终结论。

挑战的心态

非为获奖望由此给中国人争光

最近，李象远、傅克祥更忙了！“不断地介绍，不断地完善，我们必须找出其他暗藏的问题。”他们还需要在学术界不断地争论，“现在几乎干不了其他事！”

按照推理，李象远、傅克祥“摧毁”了一个曾经获得诺贝尔奖的成果，他们是否可以因此获得诺贝尔化学奖？李象远说：“想都没想过！”他还打了一个形象的比喻——杀害肯尼迪的人并不能因此成为美国总统。李象远说，自己只满足于追求科学真理过程中的快乐，并希望由此能给中国人争光，仅此而已！

真情寄语强国须发展基础理论

李象远多次告诉记者：“我们运气比较好！”尽管国际上有人曾怀疑过旧理论体系，但最终没有做。他还将成功归功于“遇见了傅克祥这样的好伙伴！”有人曾给李象远开玩笑：“马尔古斯都８０多岁了，你干吗要折磨好人？”——马尔古斯在学术界不仅威望极高，而且是公认的“好人”，非常慈祥、平易近人。李象远说，这就是科学的残酷，我们都追求真理，必须还科学一个本来面目。

李象远的办公室非常普通，窗明几净的办公室内，除了沙发和一张大大的办公桌外，几

乎别无它物，办公桌上也仅仅是一台手提电脑而已。谈到我国在基础理论研究领域的落后状况，他显得十分着急。他说：“你可以翻一翻书，近代以来，有几个公式是以中国人的名字命名的？”他认为，尽管我们在应用科学方面取得了一些成果，但国力强盛，科技的真正腾飞，还必须依赖于基础理论研究的发展。

本报记者周波

非平衡溶剂效应理论

电子转移和光谱等“快过程”的溶剂效应涉及溶剂低频响应滞后的问题，即所谓非平衡溶剂化问题。上世纪５０年代，马尔古斯用可逆功方法建立了非平衡自由能的表达式，奠定了非平衡溶剂效应的理论基础，经过牛顿美国、海恩斯（Ｈｙｎｅｓ，法国?雪、托玛斯（Ｔｏｍａｓｉ，意大利、凯尔特德国等一批国际知名理论化学家的发展，逐渐形成了一套“近乎完善”的非平衡溶剂化理论体系，建立起了电子转移溶剂重组能的马尔古斯“双球模型”，液相光谱Ｓｔｏｃｋｅｓ频移的Ｌｉｐｐｅｒｔ－Ｍａｔａｇａ模型等一系列被理论和实验化学家广泛使用的解析表达式以及利用计算机技术的多种数值计算方法，主导了非平衡溶剂效应的理论和实验研究近５０年。马尔古斯教授由于在电子转移及其溶剂效应理论方面的贡献，获得了１９９２年诺贝尔化学奖。

中国科学家打造铂金“纳米皇冠”

中新网3月12日电在中国国家自然科学基金委“纳米科技重大研究计划”以及中国科学院“百人计划”的支持下，中国科学家运用分子纳米技术打造出了一顶新颖的铂金“纳米皇冠”。

中新网3月12日电在中国国家自然科学基金委“纳米科技重大研究计划”以及中国科学院“百人计划”的支持下，中国科学家运用分子纳米技术打造出了一顶新颖的铂金“纳米皇冠”。

据中国科学院消息，日前出版的国际著名化学期刊《德国应用化学》报道了中国科学院化学所高分子物理与化学国家重点实验室于澍燕研究员领导的研究组在自组装纳米结构方面取得的重要进展。该工作报道了一系列尺寸可调、功能化的“纳米皇冠”，并发现了这些自组装体系在水介质中对阴离子的特征选择键合作用，以及在阴离子纳米传感器、模拟酶和绿色化学等方面的应用前景。

据介绍，金属在材料、蛋白酶、医药以及催化等领域中都起着非常重要的作用。根据新的概念，他们自组装出了前人一直探索但没有突破的“金属杯芳烃”类似物。有机杯芳烃是一类具有开放结构和诱导性质的杯状超分子，在超分子科学的诸多领域，如超分子催化、仿生、人工模拟酶、物质分离与分析以及纳米结构自组装等方面都具有相当诱人的应用前景。

消息说，作为中科院“百人计划”入选者的于澍燕研究员，在2001年12月回国后，短短的一年时间里，提出了“金属矢量”以及“金属原子的矢量操纵”新概念，并成功地运用于自组装以及分子纳米技术研究中。

富勒烯C60 / C70的制备化学

自1985年Kroto等在激光汽化石墨实验中偶然发现C60 / C70以来[1]，为寻找高产率大

量C60的制备方法，人们进行了广泛的探索，直到1990年Kratschmer等使用电弧放电装置生产出mg量的产品，才有了突破性的进展。目前，g量级的富勒烯已被制备出来。富勒烯制备方法的进展促进了其物理、化学性质的深入研究及应用研究的广泛开展。目前世界上不少著名科学家和一流研究机构正致力于C60 / C70制备技术的研究，预计这一技术在不远的将来会有重大突破。本文旨在对过去10年中富勒烯的制备技术的演进作一回顾，对各种方法加以归纳和评述，并探讨了较大规模生产的可能性。

1、石墨激光汽化法

最初于室温下He气流中用脉冲激光技术蒸发石墨导致了C60 的发现，碳蒸气的快速冷却导致了C60分子的形成。由时间飞行质谱检测到的C60存在[1]。但它只在气相中产生极微量的富勒烯，经研究发现C60可溶于甲苯。随后的研究表明其中还包含着分子量更大的富勒烯。此后发现在一个炉中预加热石墨靶到12000C可大大提高C60的产率[3]，但用此方法无法收集到常量的样品。

2、石墨电弧放电法

1990个由Kratschmer和Huffman等人报道[2]的电阻热放电技术是第一个产生出常量富勒烯的方法，这一技术仍然是目前知道的较高产率制造方法之一。许多研究小组对此方法加以改进，获得了可溶性富勒烯通常可占蒸发石墨的20%，有时可达30%以上[4~6]。对该方法主要的改进包括精确控制电极的缝间距，调节电源种类和强度、稀释气体种类和压力、装置的最佳热对流、碳棒尺寸、反应器大小及萃取剂的抽提效率等因素。踞遗憾的是由于内在原因，根本上限制了所使用碳棒的直径必须在3mm以内，因此只能小量生产。主要的困难是碳棒中部温度最高，碳的蒸发速度也最快，很快变细直到断裂，运行中断。此外，快速蒸发的温度很高（＞30000C），整个碳棒黑体的辐射能量损失也大，经济上也不合算。

3 、利用太阳能加热石墨法

富勒烯的发现者之一Smalley等用聚焦太阳光直接蒸发碳高产率制备了富勒烯[8]。为了

提高富勒烯和掺杂金属富勒烯的产率，在广泛的探索中他们发现电弧光对富勒烯的光化学破坏可能是碳电弧技术中碳棒放大尺寸的主要障碍。据此，考虑了数种排除光化学分解，同时增加碳棒尺寸以扩大生产规模的方式后，他们认为最好的方法是利用太阳光。Smalley等认为：采用大型太阳炉装置也许是大量生产富勒烯的唯一途径，它不仅避免了强紫外线辐射对富勒烯的光化学破坏作用，同时使碳蒸气到达缓冷区之前不会形成凝块，解决了石墨电弧或等离子体法中遇到的产量限制问题。

4 、石墨高频电炉加热蒸发法

1992年Peter和Jansen等[10] 利用高频电炉在27000C，150K Pa He气氛中于一个氮化硼支架上直接加热石墨样品，得到产率为8%~12%的烟灰。这是一种直接加热石墨的方式，它与太阳能加热石墨法的共同点是：石墨尺寸比原先Kratschmer ~ Huffman法允许大得多。但是两者的辐射能量利用率和产率都不能与石墨电弧放电法竞争。

5、苯火焰燃烧法

在火焰中对多面体碳离子形成的观测证实了富勒烯可能在燃烧中形成的设想。1991年麻省理工学院的Howard等从苯/氧火焰中发现了鉴定了C60和C70的存在[11]。最近的研究[12]进一步明确了压力、C / O比值、温度稀释气体的种类和浓度等因素对预混合的苯/氧层流火焰也产生富勒烯，但比苯燃烧产率低。从苯/氧火焰可得到较大量的C60 / C70，得到产率高达20%的烟灰，按原料消耗计可得到0.5%的C60和C70。C60 / C70的最大生成速率出现在9199Pa 压力、C / O=0.989、25%氦稀释气体。燃烧合成法不仅提供了一条新的大量制备富勒烯的方法，而且能够在很大范围内控制产物的分布，还在火焰中发现了富勒烯亚稳态的异构体。苯火焰燃烧法有可能成为大规模工业生产富勒烯的方法，由此可制备出不同种类的富勒烯。

6 、有机合成法

富勒烯C60 / C70具有球面大电子体系的芳香性碳笼结构，它的发现也向有机合成化学家提出了艰巨的合成挑战。经过一段短暂的沉默和思考，合成化学家开始从理论和实验两方面

探求化学全合成分子C60 / C70的可能性和途径。C60的化学合成进展尽管尚不能与电弧放电法相比，但化学全合成研究对于C60等富勒烯的形成机理，C60的笼内外修饰是有重要意义的。有机合成的高难度和长途径是明显的，首先，与石墨电弧放电法的高温和混乱相比较，有机合成要在较低的温度下完成，要有明确次序的合成路线；其次，建设不含氢、封闭成球的富勒烯分子，要克服完全脱氢环稠合时存在张力的难题，有机合成的方向性和选择性控制问题及合成步的产率问题；然后，C60 / C70分子和与其相关的现有合成基础、现有合成物的差距甚远。合成路线是较长的，产物分离也是个难题。显然，需要一个高度出色的艺术化的合成特技，合理简洁的合成路线设计显得尤为重要。

7、结语

由于富勒烯的来源和价格对富勒烯化学的发展及应用起着制约作用，各国对富勒烯制备的研究愈加重视。目前主要还是通过石墨电弧法来获得富勒烯的，制备时并伴有更大的团簇分子的生成，在某些条件下还得到巴基管、巴基葱等。蒸发石墨法特别是太阳能加热石墨法虽然研究得不够完善，但为富勒烯的大量制备展示了良好的前景。如果将火焰燃烧法、热解萘法、有机合成法所获得的进展结合起来考虑，有理由相信，在不远的将来作为一个有机制备过程的产品，大批量的富勒烯会被合成出来，并且成为高新技术产品的基本原料。

别把纳米炒成“科学谎言”

纳米虽是一个尺度单位，但却成为近年来最时髦的商业炒作噱头，“纳米空调”、“纳米水”、“纳米服装”盛行一时，但9月5日在南京大学召开的第十二届“小颗粒与无机团簇系列国际会议”上，大会主席、南京大学王广厚教授表示，纳米技术真正民用起码还有20年的路要走。

此次会议是国际学术界关于纳米领域最高水平的盛会，也是第一次在中国召开。由于纳米材料的特殊性，本次大会成为一个物理、化学、材料、信息、环境、生物、能源等多学科交叉的学术论坛，内容涉及纳米科学技术的基础问题和前沿领域（团簇和小颗粒是纳米科技