轉型中重塑化學內生動力

作者:甘曉 劉心元
  點擊數:122  發布時間:2020-01-19 18:07

2019年,是中國化學研究的“豐收”年,也是“轉型”年。與其他學科相比,中國化學研究已邁進世界“第一梯隊”,也在諸多領域實現“領跑”。在化學學科轉型的當下,中國化學研究者在化學與物理學科交叉、化學各個二級學科之間的交叉方面取得優異成績,為重塑化學學科的內生動力探索了新的道路。 

12月18日,中國科學院化學研究所研究員王健君等課題組在《自然》上發表論文引發科技界關注。這是今年中國化學研究者在《細胞》《自然》《科學》(CNS)頂級期刊發表的第12篇論文。這一數字保持了近3年以來的一貫水平。 

近年來,化學這門古老的學科正在受到“工具化”的沖擊?;瘜W未來如何發展,成為全世界化學家關心的重大命題。 

“2019年,中國化學家以重組后的‘合成化學’等領域為中心開展的工作漸入佳境,為重塑化學學科提供了內生動力?!眹易匀豢茖W基金委員會(以下簡稱自然科學基金委)化學部常務副主任陳擁軍告訴《中國科學報》。 

轉型中的化學學科 

歷經百年,化學學科建立了完備的學科體系,發展出無機、有機、物化、分析、高分子等多個二級學科。但是,近幾年來,化學家們越來越感覺到,作為一門科學的化學正面臨嚴峻挑戰。

陳擁軍指出:“化學逐漸呈現出被工具化的傾向,其發展越來越依靠其他學科的需求牽引,內在發展缺乏動力?!苯衲?月,中國科學院院士朱道本在接受《中國科學報》采訪時也提到:“好的應用固然重要,但我們仍然應當堅持化學是一門科學?!?nbsp;

毫無疑問,化學學科走到了轉型的十字路口。2016年,以“轉型中的中國化學”為主題的第30屆中國化學年會召開。會上,中國化學家聚焦“發揮中心科學作用”“推動交叉融合”等話題,謀劃化學學科轉型的未來。 

2017年底,自然科學基金委化學部重組了學科資助代碼體系;2018年起,資助方向變化為8個新領域,包括合成化學、催化與表界面化學、化學理論與機制、化學測量學、材料與能源化學、環境化學科學、化學生物學、化學工程與工業化學等。 

作為資助基礎研究的主渠道,自然科學基金委的舉動往往具有牽一發而動全身的效果。對中國化學界而言,學科資助代碼體系的調整如同引發蝴蝶效應的翅膀已經扇動。 

漸入佳境的“合成化學”

在新的8個資助方向中,“合成化學”取代了無機化學、有機化學、高分子化學等3個傳統的二級學科?!澳康氖枪膭罨瘜W工作者跨越學科邊界,打破常規,相互促進,彼此借鑒?!标悡碥姳硎?。

2019年,一批突出的研究成果表明,“合成化學”已漸入佳境—— 

10月17日,浙江大學化學系教授唐??祱F隊在《自然》上發表的一項成果,跨越了無機化學與高分子化學的界限。研究人員通過借鑒高分子聚合的概念指導無機材料制備,提出了無機離子聚合反應的新概念,利用無機離子寡聚體的聚合與交聯實現復雜形貌材料的連續結構制備,為材料制備提供了一條新途徑。 

另一項代表性成果來自南昌大學和東南大學教授熊仁根團隊。他們利用相似相容原理,構筑了新的分子鈣鈦礦固溶體,其壓電系數超越了無機陶瓷固溶體鋯鈦酸鉛。這項成果反映了無機合成與有機化學的融合。相關研究成果于2019年3月15日在《科學》上發表。 

中國科學院上海有機化學研究所有機氟化學重點實驗室研究員董佳家課題組則致力于有機合成與藥物發現以及化學生物學的融合。他們在尋找新反應的過程中,意外發現一種安全、高效合成、罕見的硫氟類無機化合物“氟磺?;B氮”的方法。他們同時發現該化合物對于一級胺類化合物有極高的重氮轉移反應活性和選擇性。這項成果于2019年10月2日在《自然》上發表,并在不久前被該雜志評為今年十大科學進展。 

在研究者看來,這些標志性成果展現出“合成化學”作為融合的科學領域對重塑化學內生動力的重要意義?!拔磥?,以‘合成化學’等學科領域為抓手的學科交叉融合將是化學學科的發展趨勢?!标悡碥姀娬{。 

為轉型中的化學學科擺脫工具化傾向、重塑其內生動力,除了合成化學外,另一個著力點在分析化學的改革。在自然科學基金委的學科代碼調整中,分析化學和譜學一起“轉型升級”為化學測量學。 

中國化學家們看到,如果說化學越來越具有工具性,那么分析化學長期以來在化學學科中又是工具的工具?!靶鹿ぞ呒葱驴茖W”這一理念已深入化學家心中。他們相信,發展新的科學工具本身可以成為目的,而不僅是開展其他研究工作的手段。

“新的化學測量方法的發展對于推動化學學科的發展很重要。針對更復雜的體系、更微量的樣品以及化學動態過程,我們需要發展更精準、更靈敏、更快速的測量方法和儀器,這樣才能更好地推動我國化學學科的內生發展?!敝袊茖W院院士、自然科學基金委化學部主任楊學明指出。 

他看到,過去一年里,我國在化學測量學方面取得了長足進展,新的科學儀器和測量方法不斷涌現,也為我國化學研究領域培養了一支優秀的儀器研發隊伍。

此外,融合傳統無機化學、有機化學和高分子化學等相關材料、能源、化學內容而新設立的“材料化學與能源化學”領域,則拓展了化學科學作為創造新物質的中心科學,在面向重大科學前沿和國家重大需求方面發揮重要支撐作用。 

高度交叉的分子科學 

2019年,以分子科學為基礎和核心重塑化學的內生動力,成為中國化學家開辟的一條新路徑。 

朱道本告訴《中國科學報》,分子科學主要研究物質的組成與結構、反應與機制、性質與功能?!拔覀儜斍宄卣J識到,分子科學是與材料、生命、信息、環境、能源等領域相互交叉、滲透的一個中心科學?!彼麖娬{。 

其中,和物理科學的交叉,可以解決分子及分子以上層次化學鍵精準重組問題,以及結構與性質的關系等問題。而這正是化學最基本的內涵,將為分子科學注入強勁動力。材料、生命、信息、能源等對化學提出的物質、方法、技術等方面的需求,則被認為是這一學科的外在發展動力。

12月18日,王健君與中國科學院大學教授周昕等學者在《自然》發表的研究中,用表面相對穩定的氧化石墨烯制備了一系列納米材料,研究了不同尺寸氧化石墨烯在不同溫度時結冰的情況,證實了吉布斯提出相變“經典成核理論”中臨界冰核的存在。 

在王健君看來,這項研究將物理與化學學科深度交叉,對水結冰這一重要相變現象的微觀機制的理解,也能為實現人為控冰應用方面提供重要理論指引。 

2019年10月,香山科學會議第663次學術討論會聚焦“功能π-體系分子材料前沿與創新”。會議上,分子科學研究前沿領域得到進一步聚焦,智能化學與技術、分子材料與器件、綠色碳科學與激發態化學、表界面與軟物質科學、生命過程的分子基礎被認為是分子科學的六大發展方向。 

為解決這些領域中的關鍵科學問題,與物理學深度交叉滲透的分子電子學備受關注。 

“未來,應重視賦予‘老體系’以‘新內涵’,布局研究有機拓撲絕緣體、有機熱電、有機超導等新方向,以此推動有機電子工業形成與發展?!敝斓辣局赋?,“21世紀的化學,將呈現多元化和高度交叉的發展趨勢,中國學者應充分把握好分子電子學領域自主創新的機遇,為化學科學注入新的發展動力?!?nbsp;

摘自《中國科學報》




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