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1、21世纪理论化学的挑战和机遇 化学与理论化学在 20世纪都取得了辉煌的成就，但未获得社会应有的认可。北大化学系学生会对本科生的调研显示，有 75的同学认为化学是成熟的老科学，发展前途不大，理论化学尤其不受重视。 我们要分析原因采取对策，积极主动争取社会的认同。对于 21世纪理论化学的发展，要采取 “ 侵略性 ” 的战略，既要大力加强量子化学的基础研究，又要扩充我们的研究领域。国与国之间要和平共处，但学科与学科之间要互相 “ 侵略 ” ，渗透交叉，才能推动学科的发展。所以 Theoretical chemists in the 21st century should be more aggres
2、sive. 化学未获社会认同的原因分析 化学未获社会认同的原因分析 （ 1）化学家太谦虚，不会向社会宣传化学与化工对社会的重要贡献。报刊上常说 20世纪有六大技术，其中没有化学和化工。 （ 2）化学是中心科学，与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大朝阳科学（ Sun-rise sciences）都有紧密的联系，产生了许多交叉学科。但化学家很谦虚，放弃交叉学科的冠名权，在社会上造成化学被肢解的错误印象。 Nature在 2001年发表社论说： “ 化学的形象被其交叉学科的成功所埋没 ” 。 （ 3）朝阳科学在组建队伍时拉走了不少化学家。化学向朝阳科学输送队伍，本是好事，但希望社
3、会能够认同化学对发展朝阳科学的重要作用，而不是因为化学没有用处，使化学工作者纷纷转行。 （ 4）化学家没有提出 21世纪要解决的难题。有人认为化学没有理论，只是一堆白菜。 （ 5）化学没有树立品牌，缺少品牌意识。化学与化工被认为是污染源，这也是缺少生源的原因之一。其实，化学家已提出绿色化学的奋斗目标。化学家不但要认识世界、改造世界，还要保护世界 20世纪有七大技术， 第一是合成化学技术 报刊上常说 20世纪有六大技术：（ 1）无线电、半导体、计算机和网络等信息技术，（ 2）基因重组、克隆和生物芯片等生物技术，（ 3）核科学和核武器技术，（ 4）航空航天技术和导弹，（ 5）激光技术，（ 6）纳米
4、技术。但却很少有人提到包括新药物、新材料、高分子和化肥的化学合成技术。 上述六大技术如果缺少一二个，人类照样生存，但如没有合成氨和尿素的技术，世界 60亿人口有一半要饿死。没有合成抗生素和新药物，人类平均寿命要缩短25年。没有合成纤维、合成橡胶、合成塑料，人类生活要受到很大影响。没有合成大量新分子新材料，上述六大技术根本无法实现。但化学和化工界非常谦虚，从来不提抗议。我们应该理直气壮地大力宣传 20世纪有七大技术，第一是化学合成技术。国外传媒把 Harbor Process 评为 20世纪最重要的发明，是很有道理的 。 化学是中心科学 科学可按照它的研究对象由简单到复杂的程度分为上，中，下游。
5、数学，物理学是上游，化学是中游，生命、材料、环境等朝阳科学是下游。上游科学研究的对象比较简单，但研究的深度很深。下游科学的研究对象比较复杂，除了用本门科学的方法以外，如果借用上游科学的理论和方法，往往可收事半功倍之效。化学是中心科学，是上游和下游的必经之地，永远不会像有些人估计的那样，将要在物理学与生物学的夹缝中逐渐消亡。 中心科学还有另一层含义，因为化学与八大朝阳科学都产生交叉学科。这也说明中心科学的重要性。 但化学作为中心学科的形象 反而被其交叉学科的成就所埋没 但化学家非常谦虚，在交叉学科中放弃冠名权。例如 “ 生物化学 ” 被称为 “ 分子生物学 ” ， “ 生物大分子的结构化学 ”被
6、称为 “ 结构生物学 ” ， “ 生物大分子的物理化学 ” 被称为 “ 生物物理学 ” ，“ 固体化学 ” 被称为 “ 凝聚态物理学 ” ，溶液理论、胶体化学被称为 “ 软物质物理学 ” ，量子化学被称为 “ 原子分子物理学 ” 等。又如人类基因计划的主要内容实际上是基因测序的分析化学和凝胶色层等分离化学，但社会上只知道基因学，看不到化学家在其中有什么作用。 再如分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的，但开创这方面研究的化学家却不提出“ 化学器件学 ” 这一新名词，而微电子学专家马上看出这些研究的发展远景，并称之为分子电子学。内行人知道分子生物学正是生物化学的发展。在这
7、个交叉领域里化学家与生物学家共同作战，把科学推向前进。但在中学生或外行看来， “ 分子生物学 ” 中 “ 化学 ” 一词消失了，觉得化学的领域越来越小，几乎要在生物学与物理学的夹缝中消亡。 这样化学这门重要的中心科学（ Central science）反而被社会看作是伴娘科学（ Bridesmaid science）而不受重视（参见前引 Nature社论），化学家居然不喊不叫也不抱怨。化学家的谦虚本是美德，但因此而在社会上造成化学是落日科学（ Sunset science）的印象，吸引不到优秀的年轻学生，这个问题就大了。 化学有没有理论？ 有人说：化学没有理论，这也是化学不被认同的理由之一。对
8、于这个问题，唐敖庆先生有很好的回答（引自江福康、封继康根据唐老师于1997年 12月 23日在吉林大学理论化学与计算国家重点实验室的二届学术委员会上的发言记录整理稿）。唐先生说 19世纪的化学有三大理论成就（ 1）经典原子分子论，包括建筑在定比、倍比定律基础上的道尔顿原子论，和以碳 4价及开库勒等的工作为中心内容的分子结构和原子价理论。（ 2）周期律（ 3）化学反应的质量作用定律。 20世纪也有三大理论成就： （ 1）化学热力学，可以判断化学反应的方向，提出化学平衡和相平衡理论 （ 2）量子化学和化学键理论，生物学的DNA模型就是在氢键理论和蛋白质的分子结构的基础上提出来的 （ 3）上世纪 6
9、0年代发展起来的分子反应动态学。 到了 21世纪，数学家提出七大难题，物理学家提出五大难题，生物学家提出四大难题。但化学家又比较谦虚，好像没有人明确提出哪些是化学要解决的世纪难题。其实化学家心目中是有自已的奋斗目标的，只是不愿多说。但这又造成“ 化学无理论 ” 的错误印象。本文不揣冒昧，提出 21世纪化学要解决的四大难题，因为这正是理论化学家的主攻目标。当否请批评指正。 理论化学在现代化学的发展中起了非常重要的作用 1998年，诺贝尔化学奖授予量子化学家科恩和玻普耳。陈敏伯教授在 科学 （上海科技出版社）发表的的文章中提到：瑞典皇家科学院 1998年，诺贝尔化学奖授予量子化学家科恩和玻普耳。陈
10、敏伯在颁奖公报中说：（ 1） “ 量子化学已经发展成为广大化学家所使用的工具，将化学带入一个新时代，在这个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质。化学不再是纯实验科学了 ” 。（ 2） “ 当接近 90年代快结束的时候，我们看到化学理论和计算的研究有了很大的进展 ，其结果使整个化学正在经历着一场革命性的变化 ” 。 （ 3） “ 这项突破被广泛地公认为最近一、二十年来化学学科中最重要的 成果之一 ” 。这次颁奖宣告了 “ 化学的两大支柱是实验和形式理论 ” 的时代已经来临。所以 21世纪的化学将是理论和实验互相结合互相渗透的科学。国外有些著名大学早已把理论化学从物理化学中独立出来，成
11、为二级学科。希望国家和社会进一步加强对理论化学的支持，鼓励优秀的大学毕业生来考量子化学的研究生。这对整个化学的发展是有利的。 吉林大学 是我国理论化学的发源地 理论化学在我国的起步比较早，是和唐敖庆卢嘉锡等先生的倡导分不开的。我国早在 1952年就把物质结构列入大学本科生的教学计划，当时世界上只有不到 20所一流大学为本科生开设类似课程。在 1956年的 “ 国家 12年科学规划 ” 中，按照周总理的指示和唐卢等的建议，增加了第 56项 “ 物质结构的研究 ” ，对推动我国现代化学的发展起了重要的作用，使我国大学的优秀毕业生能直接进入世界最优秀的一流大学研究生院，并在研究生中名列前茅。 唐敖庆
12、先生是我国理论化学的奠基人，他创建了吉林大学理论化学所和国家重点实验室，多次举办全国性的理论化学讨论班，在全国培养了大批理论化学骨干，为其他化学学科输送了具有坚实理论基础的学术带头人。 我国已举办八次全国量子化学学术会议，多次中日理论化学双边讨论会，参加多次国际量子化学会议。参加这次会议的代表多达 300人，在广泛的领域范围内提出许多高水平的学术论文，说明我国理论化学已有很好的基础。 理论化学的危机和我们的对策 到了 21世纪，令人意外地发现，化学和理论化学都发生了危机，特别是大学生和研究生生源的危机。化学如果得不到重视，一定要拖生命科学和材料科学发展的后腿。在化学中如果理论化学受到削弱，那么
13、一定要延缓化学赶上国际先进水平的进程。因此我们一定要积极进取，加强宣传，要使学术界和青年学生了解理论化学的重要性，把优秀的青年吸引到我们的队伍中来。要Aggressive，主动进入交叉学科领域，拓展我们的研究阵地。 加强量子化学的基础研究， 向化学的世纪难题进军 1。量子化学理论和方法的基础研究。 2。化学的第一根本规律（第一世纪难题）：化学反应的理论 3。化学的第二根本规律（第二世纪难题）：分子结构及其和性能的定量关系 4。 21世纪化学的第三难题：生命科学中的化学问题 5。 21世纪化学的第四难题：纳米尺度的基本规律和奇异特性 理论化学应该 “ 侵入 ” 交叉领域， 拓展研究阵地 理论化学
14、家在数学物理和化学三方面都有很好的基础，他们 /她们是化学的战略机动部队，比较容易进入当前科学发展的前沿领域，开展交叉学科的研究，并使理论化学根深叶茂。 6。 Theoretical Study of Clusters, Fullerenes and Nanotubes 7。 Theoretical Study of Surface and Catalysis 8。 Theoretical Study of Molecular Materials 9。 Theretical Study of Non-covalent Interactions in Supermolecular Assembl
15、y: Hydrophobic(HB)-Hydrophilic(HP) ,HB-HB,HP-HP Interactions, Steric Hindrance, Van der Waals Force, Various Kinds of Hydrogen Bonds, Agostic Bonds, et al 10。 Theoretical Study of Molecular Self-Assemblies 11。 Theoretical Study of Molecular Devices 12。 Theoretical Study of Complex Systems. Chaos. Nonlinear Problems 13。 Theoretical Study of the Condensed Phase 14。 Bio-Informatics 15。 Chemo-Informatics 日本国立分子科学研究院的 组织机构和研究方向 Institute for Molecular Science每年出版一本 Annual Review, 其中最新的 2001年年鉴介
