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[交流] 世纪化学的四大难题

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。

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