21世紀的四大化學難題（徐光憲）

化學家比較“謙虛”，好像沒有人明確提出哪些是化學要解決的世紀難題。對應於
數學界、物理學界和生物學界各自提出的重大難題或奮鬥目標，這裡我提出——

□中國科學院院士 徐光憲

到了21世紀，數學界、物理學界和生物學界都相繼提出了各自領域的重大難題
或奮鬥目標。但在化學界，一直沒有人明確提出哪些是化學要解決的世紀難題。
近年來，在世界範圍內出現了淡化化學的思潮。那麼化學界果真提不出重大難題嗎
？這裡我本人試對這一問題，初步提出21世紀的四大化學難題供大家一起探討。

　　如何建立精確有效而又普遍適用的化學反應的含時多體量子理論和統計理論？

化學是研究化學變化的科學，所以化學反應理論和定律是化學的第一根本規律。應
該說，目前的一些理論方法對描述複雜化學體系還有困難。
因此，建立嚴格徹底的微觀化學反應理論，既要從初始原理出發，又要巧妙地
採取近似方法，使之能解決實際問題，包括決定某兩個或幾個分子之間能否發生化
學反應？能否生成預期的分子？需要什麼催化劑才能在溫和條件下進行反應？如何
在理論指導下控制化學反應？如何計算化學反應的速率？如何確定化學反應的途徑
等，是21世紀化學應該解決的第一個難題。
對於這一世紀難題，應予首先研究的課題有：（1）充分了解若幹個重要的典
型的化學反應的機理，以便設計最好的催化劑，實現在最溫和的條件進行反應，控
制反應的方向和手性，發現新的反應類型，新的反應試劑。（2）在搞清楚光合作
用和生物固氮機理的基礎上，設計催化劑和反應途徑，以便打斷CO2, N2等穩定分
子中的惰性化學鍵。（3）研究其它各種酶催化反應的機理。酶對化學反應的加速
可達100億倍，專一性達100％。如何模擬天然酶，製造人工催化劑，是化學家面臨
的重大難題。（4）充分了解分子的電子、振動、轉動能級，用特定頻率的光脈衝
來打斷選定的化學鍵——選鍵化學的理論和實驗技術。

如何確立結構和性能的定量關係？

這裡“結構”和“性能”是廣義的，前者包含構型、構象、手性、粒度、形狀
和形貌等，後者包含物理、化學和功能性質以及生物和生理活性等。這是21世紀化
學的第二個重大理論難題。
要優先研究的課題有：（1）分子和分子間的非共價鍵的相互作用的本質和規
律。（2）超分子結構的類型，生成和調控的規律。（3）給體－受體作用原理。（
4）進一步完善原子價和化學鍵理論，特別是無機化學中的共價問題。（5）生物大
分子的一級結構如何決定高級結構？高級結構又如何決定生物和生理活性？（6）
分子自由基的穩定性和結構的關係。（7）摻雜晶體的結構和性能的關係 。（8）
各種維數的空腔結構和複雜分子體系的構築原理和規律。（9）如何設計合成具有
人們期望的某種性能的材料？（10）如何使宏觀材料達到微觀化學鍵的強度？例如
“金屬鬍鬚”的抗拉強度比通常的金屬絲大一個量級，但還遠未達到金屬－金屬鍵
的強度，所以增加金屬材料強度的潛力是很大的。以上各方面是化學的第二根本問
題，其迫切性可能比第一問題更大，因為它是解決分子設計和實用問題的關鍵。

如何揭示生命現象的化學機理？

充分認識和徹底了解人類和生物的生命運動的化學機理，無疑是21世紀化學亟
待解決的重大難題之一。
例如：（1）研究配體小分子和受體生物大分子相互作用的機理，這是藥物設
計的基礎。（2）化學遺傳學為哈佛大學化學教授Schreiber所創建。他的小組合成
某些小分子，使之與蛋白質結合，並改變蛋白質的功能，例如使某些蛋白酶的功能
關閉。這些方法使得研究者們不通過改變產生某一蛋白質的基因密碼就可以研究它
們的功能，為開創化學蛋白質組學，化學基因組學（與生物學家以改變基因密碼來
研究的方法不同）奠定基礎。（3）搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊
等食草動物胃內酶分子如何把植物纖維分解為小分子的反應機理，為充分利用自然
界豐富的植物纖維資源打下基礎。（4）人類的大腦是用“泛分子”組裝成的最精
巧的計算機。如何徹底了解大腦的結構和功能將是21世紀的腦科學、生物學、化學
、物理學、信息和認知科學等交叉學科共同來解決的難題。（5）了解活體內信息
分子的運動規律和生理調控的化學機理。（6）了解從化學進化到手性和生命起源
的飛躍過程。（7）如何實現從生物分子（biomolecules）到分子生命（molecular
life）的飛躍？如何製造活的分子(Make life)，跨越從化學進化到生物進化的鴻
溝。 （8）研究複雜、開放、非平衡的生命系統的熱力學，耗散和混沌狀態，分形
現象等非線形科學問題。

如何揭示納米尺度的基本規律

納米分子和材料的結構與性能關係的基本規律是21世紀的化學和物理需要解決
的重大難題之一。
現在中美日等國都把納米科學技術定為優先發展的國家目標。 錢學森先生說
，繼信息科學之後，納米科學技術可能引起新一輪的產業革命。在複雜性科學和物
質多樣性研究中，尺度效應至關重要。尺度的不同，常常引起主要相互作用力的不
同，導致物質性能及其運動規律和原理的質的區別。
納米尺度體系的熱力學性質，包括相變和“集體現象”如鐵磁性，鐵電性，超
導性和熔點等與粒子尺度有重要的關係。當尺度在十分之幾到10納米的量級，正處
於量子尺度和經典尺度的模糊邊界中，此時熱運動的漲落和布朗運動將起重要的作
用。例如金的熔點為1063℃，納米金(5－10nm)的融化溫度卻降至330℃。銀的熔點
為960.3℃，而納米銀(5－10nm)為100℃。

四大難題破解後的美好前景

經過50－100年的努力，如果解決了我這裡提出的化學四大難題，不難設想我
們美好的遠景：
（1）在解決第一和第三難題，充分了解光合作用、固氮作用機理和催化理論
的基礎上，我們可以期望實現農業的工業化，在工廠中生產糧食和蛋白質，大大縮
減寶貴的耕地面積，使地球能養活人口的數目成倍增加。
（2）在解決第二和第四難題的基礎上，我們可以期望得到比現在性能最好的
合金鋼材強度大十倍，但重量輕幾倍的合成材料，使城市建築和橋梁建設的面貌完
全更新。
（3）在充分了解結構與性能關係的基礎上，我們能合成出高效、穩定、廉價
的太陽能光電轉化材料，組裝成器件。太陽投射到地球上的能量，是當前全世界能
耗的一萬倍。如果光電轉化效率為10％，我們只要利用0.1％的太陽能，就能滿足
當前全世界能源的需要。
（4）未來的化工企業將是綠色的，零排放的，原子經濟的，物質在內部循環
的企業。
（5）在合成了廉價的可再生的儲氫材料和能轉換材料的基礎上，街上行走的
汽車將全部是零排放的電動汽車。我們穿的將是空調衣服。
（6）海水淡化將成為重要工業，從而解決人類生存最嚴重的挑戰——淡水資
源緊缺問題。