中国化学研究:转型中重塑化学内生动力

中国科学家第一次通过实验发现了一个关键的冰核,结果发表在《自然》杂志上。

■记者甘晓实习生刘新源

2019年是中国化学研究的“丰收”年和“转型”年。与其他学科相比,中国的化学研究已进入世界“第一梯队”,并在许多领域取得了“领先地位”。随着化学学科的转型,中国化学研究者在化学与物理的交叉学科以及化学两大学科之间的交叉学科上取得了突出的成就,探索了重塑化学学科内生动力的新途径。

12月18日,中国科学院化学研究所的研究员王建军和其他研究小组在《自然》杂志上发表了一篇论文,引起了科技界的关注。这是中国化学研究人员今年在《细胞》、《自然》和《科学》杂志上发表的第12篇论文。近三年来,这一数字一直保持不变。

近年来,古代化学学科受到“工具化”的冲击。化学在未来如何发展已经成为全世界化学家关注的一个重大课题。

“2019年,中国化学家围绕重组后的‘合成化学’等领域的工作越来越好,为化学重组提供了内生动力。”国家自然科学基金委员会化学部常务副主任陈勇军告诉《中国科学日报》。

过渡化学

一百年后,化学建立了一个完整的学科体系,发展了无机、有机、物理化学、分析、高分子等多门学科。然而,近年来,化学家越来越感到化学作为一门科学正面临着严峻的挑战。

陈勇军指出:“化学逐渐显示出工具化的趋势。其发展越来越依赖于其他学科的需求,其内部发展缺乏动力。”今年7月,中国科学院院士朱道本在接受《中国科学报》采访时也提到:“好的应用是重要的,但我们仍应坚持化学是一门科学。”

毫无疑问,化学已经到了转型的十字路口。2016年,第30届中国化学年会将以“转型中的中国化学”为主题举行。在会议上,中国化学家集中讨论了“发挥核心科学作用”和“促进交叉整合”等主题,以规划化学学科转型的未来。

2017年底,国家自然科学基金委化学系重组了学科资助代码体系。自2018年以来,资助方向已转向八个新领域,包括合成化学、催化和表面界面化学、化学理论与机理、化学测量、材料与能源化学、环境化学科学、化学生物学、化学工程和工业化学。

作为资助基础研究的主要渠道,国家自然科学基金的行动往往会产生一发而动全身的效果。对中国化学界来说,学科经费代码体系的调整就像是触发蝴蝶效应的翅膀一直在拍打。

“合成化学”越来越好

在新的八个资助方向中,“合成化学”已经取代了三个传统的两个学科:无机化学、有机化学和高分子化学。“目的是鼓励化学工作者跨越学科界限,打破规则,相互促进,相互学习。”陈勇军说。

2019年,一批优秀的研究成果表明,“合成化学”越来越好-

10月17日,浙江大学化学教授唐·在《自然》杂志上发表了一篇跨越无机化学和高分子化学界限的论文。研究者用聚合物聚合的概念来指导无机材料的制备,并提出了无机离子聚合的新概念。无机离子低聚物的聚合和交联实现了复杂形貌材料的连续结构制备,为材料的制备提供了新的途径。

另一个具有代表性的成果来自南昌大学和东南大学的熊仁根教授团队。他们根据相似相容性原理构建了一种新的分子钙钛矿固溶体,其压电系数超过了无机陶瓷固溶体锆钛酸铅。这一成就反映了无机合成和有机化学的融合。相关研究成果于2019年3月15日发表在《科学》杂志上。

中国科学院上海有机化学研究所有机氟化学重点实验室研究员董佳佳的研究团队致力于有机合成、药物发现和化学生物学的整合。在寻找新反应的过程中,他们意外地发现了一种安全有效的合成稀有硫氟无机化合物“氟磺酰叠氮化物”的方法。他们还发现该化合物对伯胺化合物具有极高的重氮转移反应活性和选择性。这项成就发表在2019年10月2日的《自然》杂志上,最近被评为今年杂志的十大科学进步。

在研究人员看来,这些里程碑式的成就显示了“合成化学”作为一个融合科学领域对重塑化学内生动力的重要性。“未来,以‘合成化学’和其他学科为起点的跨学科整合将是化学的发展趋势。”陈勇军强调。

为了摆脱工具化倾向,重塑化学学科在转型中的内生动力,除了合成化学之外,另一个重点是分析化学的改革。在国家自然科学基金的学科代码调整中,分析化学和光谱学被“转化和升级”为化学计量学。

中国化学家已经看到,如果化学变得越来越工具化,那么分析化学长期以来就是化学中的一种工具。“新工具就是新科学”的概念已经深入化学家们的内心。他们认为开发新的科学工具本身就是目的,而不仅仅是开展其他研究工作的手段。

“新化学测量方法的发展对促进化学的发展非常重要。我们需要为更复杂的系统、更多的痕量样品和化学动力学过程开发更准确、更灵敏和更快速的测量方法和仪器,以便更好地促进我国化学的内生发展。”中国科学院院士、中国自然科学基金委员会化学系主任杨指出。

他看到在过去的一年里,中国在化学测量方面取得了巨大的进步。新的科学仪器和测量方法不断涌现,中国化学研究领域培养了一支优秀的研发团队。

此外,新设立的“材料化学和能源化学”领域,结合了传统的无机化学、有机化学、高分子化学和其他相关材料、能源和化学,扩大了化学科学作为创造新物质的核心科学的地位,在面对重大科学前沿和国家重大需求方面发挥了重要的支撑作用。

高度交叉分子科学

2019年,以分子科学为基础,以重塑内生化学动力学为核心,中国化学家开辟了一条新的道路。

朱道本告诉《中国科学》,分子科学主要研究物质的组成和结构、反应和机理、性质和功能。“我们应该清楚地认识到,分子科学是一门与材料、生命、信息、环境、能源和其他领域交叉渗透的中心科学。”他强调。

其中,与物理科学的交叉可以解决分子及以上水平化学键的精确重组问题,以及结构与性质之间的关系。这是化学最基本的内涵,它将为分子科学注入强大的动力。材料、生命、信息、能量和其他对材料、方法、技术和化学其他方面的要求被认为是这门学科发展的外部驱动力。

12月18日,在《自然》杂志发表的一项研究中,中国科学院大学教授王建军和周信等学者用表面相对稳定的氧化石墨烯制备了一系列纳米材料。他们研究了不同尺寸的氧化石墨烯在不同温度下的结冰,证实了吉布斯相变“经典成核理论”中临界冰核的存在。

在王建军看来,这项研究将会深入地跨越物理和化学的学科,而对水结冰这一重要相变现象的微观机理的理解,也可以为人工冰控制的应用提供重要的理论指导。

2019年10月,香山科学大会第663届学术研讨会聚焦“功能π体系分子材料的前沿与创新”。会上,分子科学的前沿领域得到了进一步的关注。智能化学与技术、分子材料与器件、绿色碳科学与激发态化学、表面界面与软物质科学以及生命过程的分子基础被认为是分子科学的六个发展方向。

为了解决这些领域的关键科学问题,渗透在物理学中的分子电子学引起了人们的广泛关注。

“今后,应注意赋予‘旧系统’以‘新内涵’,并为有机拓扑绝缘体、有机热电、有机超导等的研究开辟新方向。,从而促进有机电子产业的形成和发展。”朱道本指出,“21世纪的化学将呈现多样化和高度交叉化的趋势。中国学者应该充分把握分子电子学领域自主创新的机遇,为化学科学注入新的动力。”

中国科学新闻(2019-12-27,第一版集锦)

标题:中国化学研究:转型中重塑化学内生动力

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