化学家想知道什么

化学家想知道什么

下一页 1 2 3 ——什么是化学学科的大问题

1 问题的提出

世界著名学术期刊Nature的顾问编委员Philip Ball在对多位世界著名化学家就什么是化学学科的大问题进行专题访谈后，撰写了题为“化学家想知道什么(What chemists want to know)的专论[1]”。设问的中心议题是：化学在绝大多数科学技术领域中已经成为具有关键作用的学科组成之一，是否意味着它将被视为仅仅是一种得心应手的“工具？”或者说它仍然有着自身的主要化学问题等待着继续深入和突破？该文发表在2019年8月3日出版的Nature上[Nature 442, 3 August(2019)50-52]。所谈及的问题和学者们的真知灼见，对于化学学科的建设、发展以及化学教育的改革都有参考价值。

人们所以关注这个问题，起因很多，主要可以归结为以下两个方面，一个是有志于就读大学化学专业的优秀学生生源出现持续下降的趋势，迫使国外多所院校的化学系改变名称，或者缩小招生规模；另一方面，化学家在配合其他领域的发展方面，存在着过分关注具有强烈应用背景的课题的倾向。在融入其他学科或相关技术领域的过程中，呈现出化学的基础科学面貌变得模糊不清的问题。而和化学同为基础学科的物理学和生物学，在积极参与相关先进科学技术的前期研

究、发明或开发的同时，对本学科中的大问题的研究热情却一直有增无减。例如物理学家始终热衷于诸如宇宙起源、以及从原子到天体的整个尺度范围内的空间、时间和物质是由什么来控制的等问题；又如生物学家在试图通过DNA的解码、以及如何支配蛋白质的结构和相互作用来回答Erwin Schroedinger提出的“什么是生命”的问题等。面对公众对化学的日益漠视，甚至认为化学作为一门基础学科的时代已经结束等误解，化学界必须正视并认真回答这个问题，也就是作为三大基础科学之一的化学，还是一门富有生命力的基础学科吗？它的大问题又是什么呢？

此外，近年来人类社会一直受到能源、资源和环境等问题的严重困扰，其中，涉及人们日常生活的各个方面的环境问题，不仅关系到人类社会的持续发展，而且直接影响到人体的健康和寿命的长短，更是日益受到社会的普遍关注。尽管环境问题的产生和作为自然科学之一的化学并无直接的关系，但是由于人们在谈及污染问题时，多以污染物的存在和危害性为依据(例如上个世纪70年代发现的与臭氧空洞生成有关的氟里昂和近日由有毒奶粉引出的三聚氰胺事件)，自然会联想到与研究和合成物质密切相关的化学，当人们不能严格分清化学学科和包含着化学过程的物质生产过程之间的差别时，把环境污染问题更多地归因于化学，应当是一种可以理解的误解。从污染物的源头来看，它可能是人工合成的，也

可能是原来就存在于自然界的，即所谓“纯天然的”。它们的发现、分离、分析和化学合成工作属于经典的化学工作。化学家从物质组成、结构和变化等方面帮助人们认识了它们，并且学会了利用现有的物质作为原材料合成它们和新的物质，或通过化学修饰以改善它们的性能和某些功能，以及发现或发明能够对抗某些有毒或有害物质和病虫害的药物等。通过化学家们几百年的工作，人类社会所能应用和享用的化学物质日益丰富，以科学技术为基础的社会生产力和人类的生活质量也因此得以持续发展。但是必须明确的是：科学技术的应用、社会生产力发展所选择的主要途径、对社会各界需求的物质资源和生活资源的生产和分配等等任务，并不是化学科学的基本任务。所以，依据一切(化学)物质都是化学的研究对象，因而简单地把化学物质的存在等同于化学，即由所谓“处处有化学”推衍出来的“因为我们生活在一个物质世界中，化学不可须臾别离，所以化学是最重要的基础学科”和“因为所有的污染物都是化学物质，所以化学是环境污染的罪魁祸首”两种极端而片面的看法的同时存在，就不足为奇了。

由于对化学的误解一直没有得到彻底的澄清，而且以上两种相互对立的极端观点依然在通过教学、科普活动及大众媒体广为散布，不仅导致所谓厌化学症(chemophobia)的形成，并致使国内外不少高校化学系的招生质量逐年下降(尽管就

业比率仍然保持中等水平)和纷纷改变系名(就连美国化学会在2019年都曾经有过改名为分子科学与工程学会的建议[1])等现象的存在，应当认为都是事出有因的了。因此，化学是否仍然是一门基础的自然科学，是否绝大部分的重要化学问题通过融入其他学科领域后，仅仅保留为一种“化学”视角？已经成为一个迫切需要面对并回答的问题，而且必须以化学是否仍然有着亟待解决的、富有挑战性的大问题来回答。Ball所写专论的重要性也在于此。2 什么是化学中的大问题

文中简要介绍的大问题，非常具有启发性和前瞻性，通过它们可以预见到化学在今后20年或更长一点的时期将呈现于世人之前的新面貌，同时它作为中心科学的作用将得到进一步地发展和深化。如果化学界和化学教育界能够就此形成共识，必将对化学专业建设和人才培养起到振聋发聩的作用。不仅如此，它对于初等化学教育和教学改革也有重要的指导作用，因为这是现在的中小学生未来步入社会时将要面对的实际啊！Ball根据专家访谈时收集到的意见和看法，归纳为以下几个方面的大问题。兹分述如下，为了有助于读者理解专家们的意见并形成自己的看法，在撰写本文时将尽可能地引用他们的原话。

2.1 化学合成虽然无可替代仍然有着亟待解决的大问题

和其他“发现”科学如物理学、生物学、天文学以及地球科

学相比，化学合成一直被认为是化学的最独特之处，而且通常是无可代替的。1890年法国化学家Marcelin就曾经自豪地用“Chemistry creats its objects”来描述化学的这个特点。曾经担任美国化学会会长的Ron Breslow(美国哥伦比亚大学的有机化学教授)进一步扩展了Marcelin的说法，他指出：“化学合成使得化学得以设立一个大多数其他学科无法企及的目标。”并提出“是否可以创立一门合成天文学？即通过改变引力常数来影响宇宙万物的性质，从而使其优化”的建议。尽管目前合成生物学也已经成为一门独立学科，但是在化学家看来，它不过是应用化学的另一个基于如DNA合成和蛋白质设计的分支而已。加州理工学院的核酸化学家Jacqueline Barton则强调：“化学是唯一能够制备前所未有的物质的科学”。

但是过于关注合成化学有可能使得化学家们不自觉地扮演着“修补匠”的角色，为了满足好奇心或者为了获利做着玩转分子世界的工作。由于工业发展带来的挑战已成为科学创造的重要推动力，因而致使工业化学和学科化学的分界线变得模糊不清。所以Barton指出：“化学是为工业添加燃料的科学事业。例如石油化工，还有制药、生物技术以及计算机芯片”。Breslow同意化学面对的大问题不如实际生活中提出的挑战性问题来得多的看法。例如从日光获取能量的实用方法，制造能够荷载大电流的室温超导体；还有迫切需要