互动科普

化学为我们创造了丰富多彩的世界，我们的日常生活几乎没有什么能离开化学。虽然也出现过一些发展中的问题，但未来的生活中，从能源到材料、从日用品到医药、从生命过程到宇宙演化等，都必将更紧密地依赖于化学。为此，本刊记者唐云江、朱新娜就化学学科发展、存在的问题和前景，专程采访了著名的物理化学家、中科院院长白春礼。访中科院院长白春礼

中科院院长白春礼接受采访

科学世界：作为基础学科的化学，它跟物理学和生物学的关系是怎样的？

白春礼：物理学与化学其实都属于物质科学的范畴，研究的对象也主要是自然的物质世界。物理学主要研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律；而化学呢，研究的是原子与分子层次的相互作用和运动规律，特别是原子、分子的结合与分离并由此导致的物质变化和新物质的产生；生物学的研究以生命为对象，但是随着科学的发展，生命科学发展到分子水平，又与化学紧密联系。

化学作为中心学科，它是很多学科的基础。无论是物质世界还是生命现象都与化学紧密相关。化学和物理在研究物质之间的相互作用与组合，它们有很多共同点，需要相同的理论，比如作用力、热或温度、做功、能量、数量关系等等，因此都需要数学作为基础，同时许多物理理论的发展会很快被应用到化学中，形成新的化学分支，比如物理与化学交叉形成了物理化学，量子力学与化学交叉形成了量子化学，光学与化学的结合形成光化学。生命科学在分子水平上离不开化学的支持，疾病的早期诊断与治疗、DNA的检测、药物分子的开发、生殖与发育、营养与健康等都与化学紧密联系。

另一方面，化学在物质文明方面的作用也关键，人类的生活质量得到改善，能源、资源的高效利用，新材料，环境的改善等都与化学紧密相连。因此说化学是一门中心学科。

科学世界：20世纪化学发展中有不尽人意的地方吗？

白春礼：我觉得有两个问题，化学理论没有得到很好的重视。理论化学的成果和应用没有得到充分的展示和认可。第二是化学的负面作用被过分夸大。比如，有广告说“我这洗发水里不含化学东西”，好像没有化学就是好东西，这说明社会对化学的认知有欠缺，这可能也需要化学家在科普方面多做一些事情，所以我们寄希望于国际化学年，能够加大这方面科普的力度。

化学对人类的贡献是有目共睹的，但是在发展过程中，确实也造成了对环境的危害，例如DDT最初被认为是很好的杀虫剂，但是后来发现对环境有害，这是当时人类的认识还没有达到那个程度。另一方面，人们已经认识到了很多有害有毒试剂、化学品的危害，但是没有加以很好的控制，给社会也带来了危害。由于化学与我们日常的生活密切相关，无处不在，一旦有一点危害，人们的感受就很深。但是只要正确评价化学品的危害，采取更加绿色的制造技术，特别是强化生产者的社会责任，化学给环境等带来的危害是可以控制的。

科学世界：为什么说化学理论没有得到很好的重视？

白春礼：物理学的发展建立在理论基础上，化学也有很强的理论基础。但是由于物理学的定律数学上很完美，公式也很漂亮，容易得到认可，也容易被记住，而化学会比较复杂一些，也难以用简单的公式加以描述，所以化学理论往往被忽视，在应用上受到一定的影响。比如，Pauling提出的化学的价键理论，它的应用对于理解分子的结构、推动新的分子设计与合成有非常重要的作用。

实际上，20世纪出现过一些重要的化学理论。化学完整理论体系的建立促使化学日益完善，量子力学的发展给化学带来了新的生机。早在1927年，Heitler和London就运用量子力学研究了氢分子的电子结构，他们的工作宣告了量子化学这门新学科的诞生。他们采用的价键理论强调通过量子力学来理解化学概念和规律，成功地解释了Lweis于1916年提出化学键的电子配对理论。另外一种流行的量子化学方法是分子轨道理论，它认为电子在整个空间是离域的，可以方便地应用到各种复杂的体系。密度泛函理论的提出促使量子化学方法获得广泛应用，这是里程碑似的进展。密度泛函理论通过引入交换关联近似，能够以较小的计算量获得比较准确的计算结果。

理论框架与计算方法的发展，使理论与计算化学现在已经渗透到化学的各个分支，还渗透到物理、生物、材料等学科。从小分子反应到生物酶催化，从复杂体系结构表征到功能材料理论设计，理论与计算化学都是不可或缺的。现在已有7位化学家因为对这些领域做出的贡献获得了诺贝尔化学奖。

科学世界：目前，化学最前沿课题是什么？未来十年化学学科的重点方向是什么？

白春礼：在我看来，化学学科本身的重点有几个：一是要重视分子层次的化学，重视化学的合成,特别是绿色合成、高效催化，创造新的物质；二是要重视分子以上层次或者超分子的化学聚集体的高级结构，探索和认识大分子、超分子、分子聚集体及分子纳米结构的形成、构筑、性能以及分子间相互作用的本质，将使复杂化学体系的研究更为系统；高精尖的分析测试技术，如分子影像学等将使化学向更广度、更深层次的方向延伸；理论与实验更为紧密的结合将使化学家预测、裁剪、设计分子的能力更为突出，揭示组成-结构-功能之间的关系更为有效；化学与生命科学的交叉，以揭示生命科学中的奥秘，让人非常期待；就国家战略需求和可持续发展来说，绿色技术、新能源新材料研究、新资源开发等可持续化学的应用范畴仍然是化学研究的重大前沿。

通过化学的方法可以制造出不同种类的日用化学品，使我们的生活丰富多彩。

科学世界：在您看来，21世纪化学学科难题都有哪些？

白春礼：学科本身发展就是难题，化学从元素的认识与发现到形成周期表，经历了漫长的过程，而一旦突破，元素化学突飞猛进；当人们对分子、化学键的认识深入以后，创造了大量的物质，极大地丰富、改善了我们的生活。化学本身下一步的发展可能是在更大尺度上如超分子、分子纳米结构等上的突破，以及单分子尺度上的进一步认识，发展高时间分辨、空间分辨、能量分辨的设备，在分子尺度上观察物质的转化等也将是挑战性的难题。当然，更具挑战性的难题，可能是如何利用化学的原理与方法，调控生命中的各种过程如信号通路等。

21世纪的挑战不少。对化学而言，能不能解决能源问题、新材料问题、（水）资源问题，都是挑战，都是不能不做的事业。

（本文发表于《科学世界》2011年第4期）