化学学科的研究动态及展望 邹新琢 华东师范大学化学系.

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1 化学学科的研究动态及展望 邹新琢 华东师范大学化学系

2 背景 高科技:材料、信息、生命、能源 （被称为现代科技发展四大支柱） 化学：历史悠久 前景？出路？ 议论：
98年,美国化学与工程新闻杂志社组织了一批世界著名的化学家专门就化学发展进行了讨论并对未来25年化学发展作了一些展望。 Chemical & Engineering News 1,12, 1998. 冯守化等，化学通报，7, 1998.

3 一．化学是一门核心学科 化学的发展： 纵向： 化学 无机化学 有机化学 有机合成，金属有机 有机分析…… 分析化学 物理化学 …………

4 横向：

5 化学学科：有独特的研究方法和强大的生命力
结构和活性 例：

6 化学教育的前景 大学化学系： 不会减少，至少未来25年不会减少或消失;或者说大学化学系会减少，但化学家不会减少，而是分散到其他学科中.如:生命科学，材料科学等。 化学专业的毕业生：特别是研究生层次的学生,市场需求大.

7 二．在生命科学中的化学 创造生命或部分：生物膜，细胞，某些生物系统 提高生命质量： 西药：单一组份，作用点清楚。
中药：复杂体系，混合物－机理不清！ 经验，协同机理，新药物。 FDA: 2001年起承认多组份药物的登记 2007.8发布一指导文件,首次认同中医药是一门有着完整和实践体系的独立科学体系,而不仅是对西方医学的补充.

8 基因技术对人类生活的影响 2000年6月中，美，欧，日等国科学家共同完成了对人类基因的解读工作， 科学史上的大事。

9 基因疗法 疾病的看法及治疗： 西医 中医 化学家 基因与疾病：
目前证实，有3000多种疾病和遗传有关。如：细胞性贫血，血友病，先天性痴呆…… 基因疗法：从分子水平搞清疾病的根本原因并进行治疗 1998年，俄国学者成功地进行首例的人类骨髓细胞代谢……….. 此法有望攻克爱滋病，癌症等疑难病。

10 基因与个性化 人类DNA：300亿对碱基对，其中任何两 个人都有99.9%是相同的。 多态现象：只有0.1%,即约300万对，决
定肤色，身材，体形，才华， 智商， 艺术体育能力等的差 异。被称为“多态现象”。 最最重要的仅有300~400对。

11 基因与饮食-营养基因学 牛奶：东南亚人、北欧人。 阿拉斯加土著人：海豚

12 10 ~ 20 年后

13 基因与生物 转基因作物：耐虫，耐旱，高蛋白…… 绿色革命。 1998年，全球转基因作物种植面积达2850万公顷（美国占65 %）。
2005年，全球转基因作物达500 亿美元。 2010年 亿美元（美国农业部的调查和估计）

14 基因技术的忧虑 后果无法预测，改变生物链。反对意见。 生物链问题：转基因农产品－→牲畜－→ 人？，疯牛病？安全？
伦理问题：“完人”技术上也许可以，生 存权？ 优生论？ 河南烟叶问题。 我国规定：2002年3月起，进口转基因作物必 须提交对人畜无害的证明。

15 神经化学方法 化学物质－→脑功能－→记忆，思维，传感，睡眠…. 传统研究方法：定性 现代研究方法：分子水平

16 三．化学技术方面 现状 机理的研究：计算机模拟 催化剂：定向设计 合成技术：注意环境的新反应及技术

17 合成技术 注意环境的新反应及技术-绿色化学
思路：离子液体，固相合成，高压合成…..

18 分析技术 化学的发展很大程度上借助于分析技术 近年来分析仪器取得了巨大的进步。 合成量： g －→ mg 仪器的高分辩：
1H NMR 1~ 2 mg; IR ~ 2 mg ; 元素分析 2 ~ 3 mg

19 新的分析技术要求 例：Dioxin 二噁英对人类的的安全标准 超微量 10 pg/kg/日 (日本厚生省标准)
1 pg =10-12 g pico (皮可) 美国环境保护厅定的水质标准为 pg/L （日本大气标准） pg/m3 现有技术分析困难，高价 GC-MS ~10 mg， 科学家的理想： 单分子水平的分析仪器，如:单分子NMR

20 四 材料科学方面的发展 最活跃的领域之一，也是未来最有可能取的突破性进展的领域之一 两个特点： 无机 有机、高分子、生物
无机 有机、高分子、生物 常规（m） 微小化 （nm）

21 纳米科学和纳米技术 纳米：单位 1~102 nm 1nm= 10 -9 m C- C 键 SP2 杂化 ~1.3 A = 0.13 nm
纳米是分子原子之间通常微粒 两个概念 粒子半径 粒子界面 二者大致相等

22 纳米材料的特性 表面效应：表面原子个数上升 →高化学活性 体积效应：与通常块状物性质不同,如:随着nm 粒子直
径下降，能级间隔上升，电子移动困难， 电阻率上升，能隙变宽，从金属导体→ 绝缘体。 量子尺寸效应： 能隙变宽 →量子尺寸效应→ 高的光学非线性 →微波吸收 电磁波屏蔽→隐型飞机 ,强度韧性超塑料

23 纳米技术应用前景 例如： 普通陶瓷材料： 脆，韧性差，强度差。 纳米陶瓷材料：这些性能都将大大被改 善与提高。
耐高温：日本一研究机构合成一种新合 金,可耐近4000 0C的高温， 金属 W 融点 C（氧化）

24 耐酸碱： 有很优良的物理性能 耐热冲击性好 13000C→水冷不裂， 化学稳定性好，高温下强度依然相当好。 例：氮化硼(BN) 作电子材料，硅晶片的模具， 性能好，但价高。 问题：少量的Al要除去！ 标准操作：10% HCl 温热除去 ， BN可否？！ 20% HCl 沸腾3天 无损 60% HF °C, 24 h, 无损 10% KOH 沸腾3天 无损

25 纳米技术应用前景 硬度：刃具， 微电子领域：(最受注目的领域) 电子的微小化 →单原子或分子器件 ↓ 计算机的计算速度加快、节能….

26 世界高速计算机的计算速度 2002.4    日本横滨市海洋科学技术中心（NEC） 称“地球模拟中心”超级计算机， 40万亿次／秒（5120台组成） IBM制造的蓝色基因/L，达478万亿次/秒,美国加州大学的Lawrence Livermore国家实验室 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室, “走鹃” 1000万亿次/秒,造价1亿多美元，占地557平方米，重226.8吨，包括6948个双核计算机芯片。 一天的计算量相当于地球上60亿人每周7天、每天24小时不间断用计算器算46年。 它将主要用于美国核武器等政府机密研发项目。还可以应用于研发生物燃料、设计高能效汽车、寻找新型药物以及为金融业提供服务等。

27 我国高速计算机的计算速度 西方禁止向中国出口高速计算机 中国： 1998 200亿次／秒 1999 1100亿次／秒
亿次／秒 1999          亿次／秒 2000      神威号 3840亿次／秒 万亿次/秒（曙光4000A) ( 为止全世界排名第53位) >10万亿次／秒机，当时只有美，日，中三国能造。 曙光5000， 230万亿次/秒 >100万亿次／秒机，目前只有美，中两国能造。

28 人脑和电脑 人脑： 其计算速度为10万亿次／秒 “地球模拟中心”超级计算机， 40万亿次／5120 = 78 亿次／秒
人脑： 其计算速度为10万亿次／秒 “地球模拟中心”超级计算机， 40万亿次／5120 = 78 亿次／秒 潜力： 关键CPU芯片，越小计算速度越快， 数十万个电路刻在数十mm2 的硅片上， 每个部件1~2 m, 目前 0.13 m, 极限为0.1 m, 现有技术 : 尽头 ？？

29 新思路 光计算机 量子计算机 分子计算机…. 单分子电子元件 100 nm 芯片：99.7 美国加利福尼亚大学和惠普公司研制
功能：一粒沙子大小的芯片可获得相当与现 在100台工作站的能力 轮烷(rotaxane) 环糊精（cyclodextrin）

30 概念示意图 **有科学家预言：化学的新领域将是制备电子元件，而不是 药物和聚合物。

31 有机功能材料的进展 2000年底,美国的Ｓｃｉｅｎｃｅ杂志评选出十大科技成就,第四项是“有机学” (ｏｒｇａｎｉｃｓ)”,主要研究有机光电功能材料和器件,它是由凝聚态物理、有机化学、高分子材料、光电子工程等学科相互结合而形成的. 有机光学材料、有机导电和超导材料、有机铁磁材料、、、、 文献：吴长勤， 孙鑫，“有机功能材料的进展”，物理，31（8），2002年，497。

32 有机光学材料 我们身边的科学进步： 如电视机（电子显象管） 液晶电视机（液晶材料） ？（有机电致发光材料） ？（生物发光材料）、、、、

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35 有机导电和超导材料 例： 用三溴甲烷掺入Ｃ60,使超导转变温度从52Ｋ提高到117Ｋ.可以预料,改进这一类空穴Ｃ60晶体的结构,能够进一步提高Ｔｃ,可望赶上甚至超过无机的氧化物高温超导体的Ｔｃ(常温下134Ｋ,高压下164Ｋ). Ｓｉｃｅｎｃｅ和Ｎａｔｕｒｅ ，(2001年8月30日)

36 有机铁磁材料 应用：磁卡、磁盘、磁悬浮列车、 军事、、、 特点：无机 有机铁磁材料 例：强磁性材料

37 化工领域 纳米材料：催化剂，例：TiO2 光催化剂 应用：化妆品 紫外吸收剂 玻璃添加剂 自净式玻璃 涂料添加剂 汽车尾气NOx 分解
应用：化妆品 紫外吸收剂 玻璃添加剂 自净式玻璃 涂料添加剂 汽车尾气NOx 分解 吸收微波 隐形飞机 水处理剂

38 纳米材料的安全性？ 纳米材料对人和自然界不良影响：？ 无成熟的分析方法 有报告称：对动物的内脏、中枢神经有不良影响。
动向: 日本厚生劳动省决定从 起成立专门的研究小组,正式着手研究纳米材料的安全性问题

39 五 实用科学 能源问题： 燃料电池：20世纪化学的最大遗憾 未来25年 实用阶段 电气汽车 太阳能电池：经济性问题 核能的复苏
未来25年 实用阶段 电气汽车 太阳能电池：经济性问题 核能的复苏 粮食问题： 人造食品，基因食品， 农业的支援….