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中國科學院院長白春禮院士談化學

   2011-05-16 中國化工報辛曉

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     白春禮 現任中國科學院院長,中共十五屆、十六屆、十七屆中央委員會候補委員。中科院院士、發展中國家科學院院士、美國國家科學院外籍院士、英國皇家化學會榮譽會士、俄羅斯科學院外籍院士、印度科學院榮譽院士。1953年出生,遼寧丹東人。1978年畢業于北京大學化學系,1985年在中科院獲博士學位。1958~1987年在美國加州理工學院作博士后和訪問學者,1991~1992年為日本東北大學客座教授。


    先后從事過晶體結構、分子力學和擴展X射線吸收精細結構譜(EXAFS)等方面的研究工作。從20世紀80年代中期開始轉入掃描隧道顯微學的研究,主要集中在掃描探針顯微技術、分子納米結構和納米技術的研究。在國內外出版多部中英文著作,獲國家和省部級科研成果獎勵10余項。兼任中國微納協會名譽理事長、國家納米科技指導協調委員會首席科學家、中國科學院研究生院院長等。國家“十二五”國民經濟社會發展規劃專家組成員,國家科技獎勵委員會副主任委員。
 

      化學是現代科學的中心,是發現和創造的科學,是支撐國家安全和國民經濟發展的科學。化學在解決糧食與能源問題、戰勝疾病、改善環境、提供國家防御與安全所需尖端新材料等方面起著不可替代的關鍵作用。展望未來,化學在應對能源、環境以及資源挑戰的同時,將不斷為人類的可持續發展、創造美好生活提供有力的支撐。


    記者:為什么說化學是開啟物質世界中“取之不盡”資源寶庫的鑰匙?


    白春禮:化學是研究物質的結構、性能和轉化過程的科學,更是創造新物質、探索新應用的學科。百年化學的發展表明,它在創造奇妙的新物質方面起到了核心作用,是開啟物質世界中“取之不盡”的資源寶庫的鑰匙;同時,化學科學的發展與人類社會的發展同行,對于科學與社會的進步和人類物質生活質量的改善與提高,發揮了無可替代的作用。2008年12月30日,聯合國第63屆大會通過議案,將2011年作為聯合國“國際化學年”,其主題是“我們的生活,我們的未來”,以紀念和表彰化學對于知識進步和經濟發展作出的重要貢獻。


    回顧化學的發展歷史,19世紀化學各種學說的提出推動化學繼往開來,如1811年“分子”概念的引入成為整個化學的基礎和發展源泉;1869年門捷列夫在批判和繼承前人工作的基礎上,發現元素周期率,把化學元素及其化合物納入一個統一的理論體系,對于化學和其他自然科學的發展起了重大指導作用。近百年的化學也是如此,一方面化學的理論不斷完善與發展,另一方面,在這些理論的指導下,化學家對組成分子的化學鍵本質、催化機理、分子間相互作用等的認識逐步系統和深入,以此為基礎使得化學在發現與創造新物質的征程上更加如魚得水,并逐步滲透到國民經濟發展、人類生活改善以及國家安全保護的各個方面。


    記者:作為滲透于各種新興、交叉學科的中心科學,未來化學將朝什么方向發展?


    白春禮:化學作為一門與社會與國民經濟各個領域息息相關、密不可分的基礎科學,還擔當著承上啟下、滲透于各種新興、交叉學科的中心科學的角色,其未來的發展應該特別注重加強在資源的有效合理開發、無害化使用、再生和循環利用方面的工作,要為經濟的可持續發展提供物質保障,為改善人類的生活環境、提高生活質量提供更加綠色、更為質優價廉的衣食住行條件,要不斷加強科學積淀以促進學科自身發展,而不要在學科交叉中迷失。為此,強化基礎研究將始終是發展化學科學之根本,取得新進展與成果、提出新理論與觀點、開發新材料與性能、創造新方法與工藝、建立新技術與裝備將是學科發展的強大驅動力,而服務于社會和國民經濟發展則是化學工作者須臾不可忘的歷史使命。我認為化學學科的發展有以下三方面趨勢:一是化學將向更廣、更深層次的方向延伸;二是綠色化學將引起化學化工生產方式的變革,讓我們邁向清潔和可持續發展;三是社會發展不斷對化學學科提出新的需求。


    記者:未來化學的觸角將延伸到哪些領域?


    白春禮:首先,對原子/分子層次的認識將更為深入。由于技術能力和儀器設備研發能力的不斷進步,空前準確和靈敏的儀器不斷被創造和應用,使得科學家不僅能在原子、分子甚至電子層次觀察并研究微觀世界的性質,而且能夠對其物質結構和能量過程進行操控。


    其次,多層次分子間相互作用、復雜化學體系的研究更為系統。超分子體系是分子結構與宏觀性能的關鍵紐帶,是產生更高級結構的基礎。化學研究將更注重探索和認識大分子、超分子、分子聚集體及其高級結構的形成、構筑、性能以及分子間相互作用的本質,同時更注重對復雜化學體系中的尺度效應和多尺度化學過程,更加注重對復雜生命體系的理解、模擬及調控的研究。


    此外,在創造新分子、新材料的基礎上,將更加注重功能性。未來化學不僅可以設計和合成分子,而且能將這些分子組裝、構筑成有特定功能的材料。


    記者:綠色化學將引起化學化工生產方式的變革,這對于我們實現清潔和可持續發展具有怎樣的意義?


    白春禮:從科學角度看,綠色化學是對傳統化學思維方式的更新和發展;從環境角度看,它是從源頭上消除污染、與生態環境協調發展的更高層次的化學;從經濟角度看,它要求合理地利用資源和能源、降低生產成本,符合經濟可持續發展的要求。


    綠色化學不僅涉及對現有化學過程的改進,更涉及新概念、新理論、新反應途徑、新過程的研究。未來化學將會更加注重綠色產品設計的理念,如果一個產品本身對環境有害,僅僅降低其成本和改進其生產工藝來減輕對環境的影響是不夠的。未來化學將更加注重經濟、高效、環境友好的途徑來制備與人類生活息息相關的物質,合成我們可持續的未來。同時,未來化學不僅需要創造新一代綠色、可持續化學產品,也需要變廢為寶,將今天的廢棄物變為明天的有用資源。


    記者:化學在未來人類面臨的種種挑戰中扮演怎樣的角色?


    白春禮:首先是能源問題。能源問題是世界各國面臨的重大挑戰,新能源將為世界經濟可持續發展提供不竭動力。未來化學應致力于開發太陽能利用的新原理、新材料、新結構、新方法,納米結構和量子效應的研究有望為解決太陽能電池發展中的核心問題提供新的途徑。


    第二是環境問題。化學是把雙刃劍,在創造更加美好生活的同時,引起的環境污染問題日益受到關注。由于認識的滯后與局限以及經濟基礎、技術條件的限制,發達國家的環境治理無一例外,走的都是“先污染后治理”之路。因此,未來化學應更加注重開發經濟、高效的污染控制及修復技術,應更加注重從源頭上消除污染的設計理念。


    第三是資源問題。資源問題是可持續發展的保障,人類要實現可持續發展,僅僅注重資源開發是遠遠不夠的,還必須做到合理、高效地使用資源和實現資源的綜合利用。同時,要有前瞻考慮,應更加注重開發稀缺資源的替代利用研究,如后石油時代的資源綜合利用等,未來化學在這方面必定會發揮更為重要的作用。


    另外,在材料領域,新材料的研發水平及成果轉化規模正成為衡量一個國家經濟發展和科技進步的重要標志。隨著化學研究水平的提升,理論與實驗的結合將更為密切,使得化學家預測、裁剪、設計分子的能力更為突出,揭示組成-結構-功能之間的關系更為有效,這為材料進一步發展提供了堅實基礎。材料的發展將更加注重由結構材料向功能材料、多功能材料并重的方向發展,更加注重向智能材料方向發展。


    探索生命奧秘需要化學。研究生命的調控機制、生命的起源與進化、疾病的發生機制和藥物的作用機制,探索人腦工作的奧秘、智能的產生等,是科學家孜孜不倦致力研究的熱點領域。未來化學將在分子和細胞水平上認識和研究生命過程中生物活性物質的結構和功能,以及動態相互作用的機制,這將具有十分重要的意義。


    社會公共安全問題呼喚化學。社會公共安全已成為全球關注的一個重要問題,其中不確定性和應急性是公共安全突發事件的重要特征。從化學的角度來說,防患于未然以及處理已經發生的危機,是化學家義不容辭的責任和義務。化學將為構建和諧社會和國家的長治久安作出貢獻,如化學將會在食品安全檢測、化學事故處理救援、炸藥與毒品等危險品的檢測及處置、建筑阻燃與消防安全、人身防護材料等方面發揮至關重要的作用。


    記者:面對這樣一門發現與創造的科學,化學家應該重點關注哪些問題?


    白春禮:我國近代化學發展雖晚于西方,但在百年的發展中也開展了一些有影響的工作,特別是經過近30年的發展,已進入世界化學大國的行列。在強調科學發展、可持續發展的今天,化學家應關注更廣、更深層次的化學問題,應更加注重低能耗、低排放直至零排放、資源的可再生和循環與綜合利用、開發新型能源和綠色產品等一系列目標的實現。我相信,化學作為一門“中心科學”,它的貢獻應該而且必將會得到更加極致的體現。

航空、航天、火箭、導彈、潛艇等急需的特種材料有賴于化學科學提供新的制備和加工方法。此外,化學科學還為食品安全、空間探測和國土安全等提供關鍵的檢測技術。許多危害公共安全的毒品、******、易燃物等的檢控需要化學科學的原理和技術。在遏制恐怖主義和預防傳染病方面,化學科學在研究建立快速靈敏的分析方法與預警系統方面將發揮不可替代的作用。

作為化學科學的重要內容,化學工程科學支撐了我國制造業產值的50%,涉及資源、能源、化工、冶金、環境、制藥、化肥、食品等眾多行業。實現核心技術的源頭創新、節能降耗,創建高效、清潔、節能及安全、經濟的物質轉化工藝、過程和系統,從而調整產業結構,需要化學工程科學的指導。


    進入21世紀,化學工程科學以化學過程工程和化學產品工程的面貌出現,正在向更為宏觀的過程生態系統和更為微觀的原子/分子和納米微米尺度延伸,并致力于建立跨尺度的統一理論體系和方法,以進一步滿足傳統化學工業產業結構的調整和以生物、納米、信息和材料為代表的高新技術產業的迅速發展的重大需求。

化學合成創制的新物質代替了傳統或稀缺的物質,賦予材料光、電、聲、磁等物理性能和化學反應性能,給我們帶來半導體材料、光學材料、磁性材料、超導材料、超高溫耐熱材料、超硬材料等。


    化學科學為信息技術產業提供了新型材料和新的概念,發展了一大批存儲材料、導電材料、顯示材料等。例如有機發光二極管以及有機液晶材料已經廣泛應用于各類照明、大屏幕顯示以及數碼產品的顯示器中,然而基于單晶硅片生產大規模集成電路器件的技術已不能滿足要求,新的化學方法將為超大規模集成電路提供新的物質基礎,開發和研制分子納米器件已成為當今分子電子學領域的重大課題。

 

 

 


 煤、石油、天然氣等化石能源,儲量有限且不能再生。因此,具有重要戰略意義的新能源的開發,太陽能、生物質能、核能、天然氣水合物及氫能和燃料電池等次級能源,均急需化學家提出新思路、創造新概念、發展新方法。

化學在開發高效肥料、高效農藥、農膜,特別是環境友好的生物肥料、綠色農藥和生物可降解的農用材料及開發新型生產資料等方面發揮了巨大作用。


    在不遠的將來,通過綜合利用各種先進手段,科學家還有望揭示光合系統高效吸能、傳能和轉能的機理,建立反應中能量轉化的動力學模型和能量高效傳遞的理論模型,從而達到高效利用太陽能為農業增產服務的目的。

 時代和社會的發展賦予了化學科學工作者重要責任。人的所有生命過程都包含著復雜的化學過程,人類的生活質量也取決于天然的及合成的化學物質。目前,對于這些復雜生物過程的研究正處于分子水平的關鍵階段,亟須化學家和其他科學工作者共同努力,設計合成新的疾病診斷、治療與預防的藥物和醫用材料,以減輕各種疾病給人類帶來的痛苦,促進生命科學、醫學的發展。

 

 

在降低污染物排放,修復污染環境、改善生態環境和保障人類健康等方面,化學科學不僅可以提供在線的高靈敏度環境監測方法,同時還可以提供控制、治理環境污染的手段和途徑。例如通過發展可持續發展的綠色有機化學與有機化工,開發低毒試劑、原子經濟型反應、無溶劑反應、高效催化反應等,可以從源頭上預防和降低化工過程對環境污染的風險。

  
 
 

 
 
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