问题：21世纪分子科学的前沿
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时间：2005-12-30 05:25:11 编辑加入/取消收藏订制/取消短消息举报该贴

2003年3月上旬，美国科学院(National Academy Of Sciences，NAS)国家研究委员会(National Research Council，NRC)下属的化学科学与技术委员会(Board。n Chemical Sciences and Technology，BCST)公布了一份研究报告：　《分子科学前沿——化学与化学工程面临的挑战》(以下简称《分子科学前沿》)。这份报告是由哥伦比亚大学化学系布莱斯罗(R．Breslow)教授及加州大学圣巴巴拉分校化学工程与材料系狄雷尔(M．V．Tirrell)教授所领导的《21世纪化学科学面临的挑战》研究课题专门委员会两年多来的工作成果。

　　美国科学院出版社　(National Academies Press， NAP)　随即预告了该报告的出版信息。美国化学会的《化学与化工新闻》杂志在3月3日出版的2003年第9期上也报道了研究报告的出版消息，并对其作了简略介绍。3月13日，美国科学院出版社在该社的网站(http://www.nap.edu)上公布了该报告预印本的电子版，供读者阅读和下载。

　　这份研究报告由170余位化学家和化学工程师参与准备工作，最后由委员会中的17位知名学者讨论审定。课题研究得到了美国政府下属的自然科学基金会和能源部、国防部、环境署、卫生研究院、国家标准技术研究院以及美国化学会、美国化工研究院等的资助，许多知名公司不但为其提供经济支持，也派出本公司的资深科学家参加课题研究。国际化学界对其中所提及的化学发展策略甚为关注和重视。

　　本文将对该研究报告的背景和内容作简略介绍，供化学、化工、生物、物理、材料及相关学科的教师、学生、科技人员和科研管理部门参考。

　　化学科学的成就与战略思考

　　化学是自然科学中具有悠久历史的重要分支，也是一门与物理、生物、材料等学科相互交叉和渗透的学科。化学和化学工业按照人类的需求提供了种类繁多的化学品、新材料和加工工艺，也致力于帮助人类了解生命的本质。

　　20世纪以来，众多化学制品的成功开发和商品化生产极大地促进了人类生活水准的提高，为人类的现代文明和日常生活提供了最基本的条件。人类生活中不可或缺的金属、水泥、玻璃、纸张、塑料、燃料、制冷剂和合成药物等的开发和制造都有赖于化学的神奇创造力和广泛应用。包括化学工业在内的化学科学在20世纪取得了令人赞叹和惊讶的发展。化学和化学工业在发展进程中的丰富积累使得面向21世纪的化学家有可能对原先无法想像的新目标进行设计并实施。作为自然科学重要分支的化学科学本身也随着其研究工作的深化和所取得的进展而发生着革命性的变化。
化学科学正在迅速地从对涉及原子、分子和纯物质的化学反应规律进行归纳、演绎的传统研究路线转向在理论模型和新技术基础上对各种分子系统进行预先设定的定向重组的全新策略。化学家正将其视角迅速转向分子科学的前沿，活跃于生物学、物理学的共同界面。这一革命性变化和飞跃发展提示了化学科学进入21世纪后的发展策略。遵循着上述发展新策略，化学家和化学工程师正与生物学家、物理学家、电子工程师及其他领域的科学家和工程师进行着前所未有的多层面合作和相互渗透，追寻更加神奇和美妙的研究成果。例如：可用于临床医学的人工器官的商品化；基于化合物自组装的全新思路和工艺制造的计算机芯片，逐渐超越和取代在硅片上进行加工的传统计算机芯片：对生物活性分子的不同链段进行调节和改造，并将其用于临床治疗中的基因修补；开发可与活体组织进行相互作用的新材料等等。进入21世纪后，人类将逐渐征服疾病，遏制恐怖活动，缓解能源短缺，清洁被污染了的环境，也将相当程度地改善贫穷和不平等的社会现状。在实现上述梦想的过程中，化学将显示其重要的核心作用。

　　面对进入21世纪后的经济和社会的需求，各国化学家都在审视化学科学的成就和潜能，力图拟定化学科学的新发展战略，深化与其他学科和技术的合作、渗透。

　　徐光宪先生等论述了化学在20世纪的辉煌成就和前途；唐有祺先生撰文回顾和展望化学科学；中国科学院化学部和国家自然科学基金会化学部也十分关注化学在新世纪中的发展战略。与此同时，中国化学家也密切关注着国际化学界的发展策略和动向，期望参与国际范围的深入而有效的合作。人类基因组及蛋白质组研究项目卓有成效的国际协作为化学科学发展策略的探讨及实施过程中的国际合作努力提供了有益的借鉴。

　　《分子科学前沿》研究报告的架构和内容

　　在《分子科学前沿》研究报告之前，BCST先后发表了三份类似的研究报告。发表于1965年的《化学：机遇和需求》是其中的第一份报告，20年后的1985年，BCST公布了题目为《化学的机遇》的第二份研究报告，1988年又发表了《化学工程的前沿：需求与机遇》。上述三份报告通常按课题领导人的姓而被称为韦斯特海默(Westheimer)报告，皮门塔尔(Pimental)报告及阿蒙森(Amundson)报告。2003年公布的《分子科学前沿》研究主报告与以前三份报告的最大不同之处在于将历来分别论述的化学和化学工程领域的发展战略在新的认识基础上揉合在一起，提出了包容基础科学和工程科学在内的化学科学(Chemical Science)的发展策略。
“化学科学”一词是对从基于分子水平的基础研究到大规模化工工艺技术的全视角描述。用词的变化映射出近20年来化学和化学工程的相互渗透和促进，以及化学家和化学工程师的专长与工作领域的相互交叉，进而影响着美国大学中化学和化工人才培养模式的革新。

　　《分子科学前沿》的另一特点是报告的目标与读者的定位。报告草拟人不仅希望化学家和化学工程师以及生物学家、物理学家、电子工程师等专业人员能从报告中了解化学科学在近20年来取得的成就和面临的挑战，也希望美国联邦政府的管理层对化学科学的现状和目标有所了解。同时更希望能对包括中学生在内的青年学生和社会公众发生影响，吸引更多的优秀青年学生报考化学和化工系的本科及研究生。报告也可帮助作为纳税人的社会公众消除误解，了解化学和化学工业对人类的贡献及在新世纪中可能引发的重大经济与社会变革。基于上述考虑，报告起草人力图以概括而通俗的叙述，深入浅出地全面说明化学科学的现状和所面临的挑战，以及实现目标后的令人兴奋的图景。

　　《分子科学前沿》共分12章，此外还有一份长达10页的摘要和三个附录及索引。全书共234页。每一章均由四个方面内容构成。(1)发现：化学科学在过去几十年的主要发现和进展；(2)交汇：化学科学与生物学、物理学、环境科学、电子学及医学等相关领域的交汇点上的发现；(3)挑战：化学科学面临的挑战以及在相邻学科交叉领域中出现的挑战；(4)基础构架：未来的进展将如何改变化学科学的基本构架，需要何种支撑条件。

　　在发布该研究主报告的同时，BCST还计划组织六个不同的专题研讨会，对各相关专题分别进行为期三天的深入讨论，并发表相应的详尽报告。关于国土安全和新材料及其生产的两个专题研讨会已经举行，会议报告已在美国科学院出版社的网站上公布。尚待举行的四个专题研讨会的主题分别是：能源和交通、健康与医学、信息与通讯、环境。专题研讨会报告在各自的专门领域中的讨论更为深入详尽，也为美国政府机构提供更全面的决策信息，并可能对政府机构、基金会和大企业的研究经费投资取向产生明显影响。

　　化学科学面临的重大挑战

　　《分子科学前沿》的每一章起始部分，分别列出了与该章所论述领域相关的具有挑战性的课题，总计71项。在该报告的第12章，列出了更具广泛影响和更富挑战性的13项重大课题，称之为化学家与化学工程师面临的巨大挑战。13项重大挑战为：

　　(1)如何应用具有高选择性的简便合成路线与工艺来合成和制造出具有科学意义和实用价值的新物质。包括新药和新材料在内的此类新物质将在全新的水平上造福人类。

2)开发用于保护公众免受恐怖主义、突发事故、犯罪活动及疾病袭击的新材料和测量器件。这方面的重要目标是开发对病原体、剧毒化学品和隐蔽爆炸物的快速和实用的检测方法及检测器件。化学家和化学工程师在制订面临包括恐怖主义及军事打击在内的突发事件威胁的应对策略时也应发挥独特作用。

　　(3)在不同时间标度上和各种分子尺寸范围内了解和控制分子间反应进程，并据此设计新的化学反应和生产工艺。在近一二十年内，化学家将应用大规模平行处理阵列进行分子运动的计算机模拟；对单个分子进行研究和调控；应用从超高速电子脉冲到X射线波长范围的光学脉冲，观察化学反应过程中的分子结构及其变化。这一进展将推动化学科学的研究与实际应用。

　　(4)设计和制造具有预期特性并可在制造前即对其性能进行调控和优化的新物质、新材料和分子器件。

　　(5)深入了解生命体系的化学特性。了解种类繁多的不同蛋白质、核酸和生物小分子如何组装成具有确定化学功能的复杂系统，明确了解活细胞中各种组份间的化学相互作用。用化学语汇解释生命过程的本质仍是未来时期的最大挑战，对人类思维和记忆活动背后的化学过程的了解则是最令人兴奋的挑战性课题。可以预期，当生物学愈来愈变得像化学时，化学将愈来愈靠近生命科学，二者的界限最终也将变得模糊不清。

　　(6)开发新药和新的治疗方法，用于目前尚无法治疗的各类疾病。尽管化学家在开发新药方面已取得很大的进展，工程师们也在新材料和药物输运介质的开发方面取得相当进展，但这一领域仍面临巨大的挑战。抗癌药物、抗病毒药物和治疗其他病症的药物的开发将造福人类。

　　(7)在复杂体系和材料的合成及制造中应用自组装技术。合理设计的化学组份的混合物能自动生成复杂的组合体系，其结构可从纳米尺度至宏观尺度，这一过程与生物组装甚为相似。将这一方法从实验室转移到实用的生产领域，会导致化工过程发生革命性变革。

　　(8)深入了解包括陆地、海洋、大气层和生物圈在内的地球化学现象的复杂性，以保护地球为人类所提供的可居住家园。这是化学所面临的根本性挑战，也是防止环境恶化的政策得以制订的关键。化学家将据此创造出处理环境污染和应付对地球构成威胁的诸多因素的新方法。

　　(9)通过能源生产、储存和传输的新途径来开发价格低廉和取之不尽的新能源，探寻真实的可持续发展道路。现时的能源生产和应用方式正消耗着有限的自然资源，同时产生着困扰人类的环境问题。利用不同方法生产的氢气为原料的燃料电池显现出令人兴奋的前景，并形成了令人鼓舞的以氢气为能量来源的氢经济(hydrogen economy)模式。社会和经济的发展将有望摆脱对存量有限的矿物燃料的依赖。

(10)设计和开发能自我优化的仿生化学系统。这方面的进展将推动生物系统通过体内化学体系的自我优化得到进化，并可利用优化了的内部化学系统来制造性能优异的新物质，并得到已分离和鉴别了的纯物质，而不是多种物质所构成的混合物。自我优化系统的获得可帮助化学家制造新药、新型催化剂和其他的重要化学品。

　　(11)推进化工工艺设计的革命性发展，以便得到安全、简便、能源高效利用、环境友善的化工产品，并实现快速商品化。这将有助于化学工业未来目标的实现。绿色化学在过去10年中已经取得了巨大进展，但为了持续满足人类对化学品的需求，必须致力开发对地球完全无害的化工新工艺。

　　(12)如何有效地与公众交流和沟通，使公众充分了解化学和化工对社会的杰出贡献。化学家和化学工程师必须学会如何有效地与公众进行直接或间接的沟通，使公众了解化学家和化工工程师在做什么，以及如何通过化学科学众多目标的实施使我们的世界变得更美好。

　　(13)吸引优秀的青年学生参与应对化学所面临的挑战。通过他们在分子科学前沿所从事的令人激动的工作，来满足人类不断增长的需求。

　　他山之石

　　国务院已决定启动国家中长期科技发展规划的制订工作。追踪世界科技发展最新潮流，思考和确定包括化学在内的科技发展重大战略。力争通过前瞻性战略研究，实现重点突破。《分子科学前沿》研究报告报道了美国学者对分子科学前沿的审慎而富有启迪的见解。中国化学家也可从中得到启发和借鉴，结合我国的经济、社会发展需求和科研基础深入探讨面向新世纪的中国化学发展策略，明确在相邻学科的交叉领域中迅速推进基础研究和应用开发的近期及中长期规划。

　　网络时代的优异信息环境是我们洞悉和追踪国际化学界动向的有力支撑。建议化学界同行关注美国科学院通过网络所发表的一系列研究报告，包括即将相继公布的专题讨论会的报告。对照国际化学界的成就和战略思考，可以找出我们工作中的不足处。

　　他山之石，可以攻错。对照国际化学界的成就和战略思考，可以找出我们工作中的不足之处。我国化学家在思考和实施研究课题时，常囿于传统化学学科中的某一分支，难以从化学的总体发展乃至与其他学科交汇的崭新视角来组织课题。基础研究和应用开发中因而缺少创新思维和活力。长期以来，国内化学工程界的学者很少有共同探讨问题的机会；组织重大综合性课题时合作机制不佳；青年学生、社会公众对化学和化学工业的误解还很普遍。与国际化学界的密切交流和合作，将有助于改善我国的化学研究现状。

　　他山之石，可以攻玉。《分子科学前沿》研究报告为我们提供了丰富的信息和值得借鉴的战略思考，可供制订我国化学科学发展的中长期规划时参考。中国化学家必将在充分了解国际化学界动向和观点的基础上满怀激情地应对所面临的巨大挑战，为中华民族在社会、经济和科技领域的全面腾飞作出贡献。

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回复人：lql123456,▲ () 时间：2006-04-15 19:00:17 编辑	1楼
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回复人：wuyiy123,▲ () 时间：2008-01-15 15:37:34 编辑	3楼

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