我國(guó)科學(xué)家首次從實(shí)驗(yàn)上探測(cè)到臨界冰核，研究結(jié)果在《自然》上發(fā)表。

■本報(bào)記者 甘曉 實(shí)習(xí)生 劉心元

2019年，是中國(guó)化學(xué)研究的“豐收”年，也是“轉(zhuǎn)型”年。與其他學(xué)科相比，中國(guó)化學(xué)研究已邁進(jìn)世界“第一梯隊(duì)”，也在諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“領(lǐng)跑”。在化學(xué)學(xué)科轉(zhuǎn)型的當(dāng)下，中國(guó)化學(xué)研究者在化學(xué)與物理學(xué)科交叉、化學(xué)各個(gè)二級(jí)學(xué)科之間的交叉方面取得優(yōu)異成績(jī)，為重塑化學(xué)學(xué)科的內(nèi)生動(dòng)力探索了新的道路。

12月18日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員王健君等課題組在《自然》上發(fā)表論文引發(fā)科技界關(guān)注。這是今年中國(guó)化學(xué)研究者在《細(xì)胞》《自然》《科學(xué)》（CNS）頂級(jí)期刊發(fā)表的第12篇論文。這一數(shù)字保持了近3年以來(lái)的一貫水平。

近年來(lái)，化學(xué)這門古老的學(xué)科正在受到“工具化”的沖擊。化學(xué)未來(lái)如何發(fā)展，成為全世界化學(xué)家關(guān)心的重大命題。

“2019年，中國(guó)化學(xué)家以重組后的‘合成化學(xué)’等領(lǐng)域?yàn)橹行拈_(kāi)展的工作漸入佳境，為重塑化學(xué)學(xué)科提供了內(nèi)生動(dòng)力。”國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱自然科學(xué)基金委）化學(xué)部常務(wù)副主任陳擁軍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

轉(zhuǎn)型中的化學(xué)學(xué)科

歷經(jīng)百年，化學(xué)學(xué)科建立了完備的學(xué)科體系，發(fā)展出無(wú)機(jī)、有機(jī)、物化、分析、高分子等多個(gè)二級(jí)學(xué)科。但是，近幾年來(lái)，化學(xué)家們?cè)絹?lái)越感覺(jué)到，作為一門科學(xué)的化學(xué)正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

陳擁軍指出：“化學(xué)逐漸呈現(xiàn)出被工具化的傾向，其發(fā)展越來(lái)越依靠其他學(xué)科的需求牽引，內(nèi)在發(fā)展缺乏動(dòng)力。”今年7月，中國(guó)科學(xué)院院士朱道本在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)也提到：“好的應(yīng)用固然重要，但我們?nèi)匀粦?yīng)當(dāng)堅(jiān)持化學(xué)是一門科學(xué)。”

毫無(wú)疑問(wèn)，化學(xué)學(xué)科走到了轉(zhuǎn)型的十字路口。2016年，以“轉(zhuǎn)型中的中國(guó)化學(xué)”為主題的第30屆中國(guó)化學(xué)年會(huì)召開(kāi)。會(huì)上，中國(guó)化學(xué)家聚焦“發(fā)揮中心科學(xué)作用”“推動(dòng)交叉融合”等話題，謀劃化學(xué)學(xué)科轉(zhuǎn)型的未來(lái)。

2017年底，自然科學(xué)基金委化學(xué)部重組了學(xué)科資助代碼體系；2018年起，資助方向變化為8個(gè)新領(lǐng)域，包括合成化學(xué)、催化與表界面化學(xué)、化學(xué)理論與機(jī)制、化學(xué)測(cè)量學(xué)、材料與能源化學(xué)、環(huán)境化學(xué)科學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、化學(xué)工程與工業(yè)化學(xué)等。

作為資助基礎(chǔ)研究的主渠道，自然科學(xué)基金委的舉動(dòng)往往具有牽一發(fā)而動(dòng)全身的效果。對(duì)中國(guó)化學(xué)界而言，學(xué)科資助代碼體系的調(diào)整如同引發(fā)蝴蝶效應(yīng)的翅膀已經(jīng)扇動(dòng)。

漸入佳境的“合成化學(xué)”

在新的8個(gè)資助方向中，“合成化學(xué)”取代了無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)等3個(gè)傳統(tǒng)的二級(jí)學(xué)科。“目的是鼓勵(lì)化學(xué)工作者跨越學(xué)科邊界，打破常規(guī)，相互促進(jìn)，彼此借鑒。”陳擁軍表示。

2019年，一批突出的研究成果表明，“合成化學(xué)”已漸入佳境——

10月17日，浙江大學(xué)化學(xué)系教授唐睿康團(tuán)隊(duì)在《自然》上發(fā)表的一項(xiàng)成果，跨越了無(wú)機(jī)化學(xué)與高分子化學(xué)的界限。研究人員通過(guò)借鑒高分子聚合的概念指導(dǎo)無(wú)機(jī)材料制備，提出了無(wú)機(jī)離子聚合反應(yīng)的新概念，利用無(wú)機(jī)離子寡聚體的聚合與交聯(lián)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形貌材料的連續(xù)結(jié)構(gòu)制備，為材料制備提供了一條新途徑。

另一項(xiàng)代表性成果來(lái)自南昌大學(xué)和東南大學(xué)教授熊仁根團(tuán)隊(duì)。他們利用相似相容原理，構(gòu)筑了新的分子鈣鈦礦固溶體，其壓電系數(shù)超越了無(wú)機(jī)陶瓷固溶體鋯鈦酸鉛。這項(xiàng)成果反映了無(wú)機(jī)合成與有機(jī)化學(xué)的融合。相關(guān)研究成果于2019年3月15日在《科學(xué)》上發(fā)表。

中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所有機(jī)氟化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員董佳家課題組則致力于有機(jī)合成與藥物發(fā)現(xiàn)以及化學(xué)生物學(xué)的融合。他們?cè)趯ふ倚路磻?yīng)的過(guò)程中，意外發(fā)現(xiàn)一種安全、高效合成、罕見(jiàn)的硫氟類無(wú)機(jī)化合物“氟磺酰基疊氮”的方法。他們同時(shí)發(fā)現(xiàn)該化合物對(duì)于一級(jí)胺類化合物有極高的重氮轉(zhuǎn)移反應(yīng)活性和選擇性。這項(xiàng)成果于2019年10月2日在《自然》上發(fā)表，并在不久前被該雜志評(píng)為今年十大科學(xué)進(jìn)展。

在研究者看來(lái)，這些標(biāo)志性成果展現(xiàn)出“合成化學(xué)”作為融合的科學(xué)領(lǐng)域?qū)χ厮芑瘜W(xué)內(nèi)生動(dòng)力的重要意義。“未來(lái)，以‘合成化學(xué)’等學(xué)科領(lǐng)域?yàn)樽ナ值膶W(xué)科交叉融合將是化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)。”陳擁軍強(qiáng)調(diào)。

為轉(zhuǎn)型中的化學(xué)學(xué)科擺脫工具化傾向、重塑其內(nèi)生動(dòng)力，除了合成化學(xué)外，另一個(gè)著力點(diǎn)在分析化學(xué)的改革。在自然科學(xué)基金委的學(xué)科代碼調(diào)整中，分析化學(xué)和譜學(xué)一起“轉(zhuǎn)型升級(jí)”為化學(xué)測(cè)量學(xué)。

中國(guó)化學(xué)家們看到，如果說(shuō)化學(xué)越來(lái)越具有工具性，那么分析化學(xué)長(zhǎng)期以來(lái)在化學(xué)學(xué)科中又是工具的工具。“新工具即新科學(xué)”這一理念已深入化學(xué)家心中。他們相信，發(fā)展新的科學(xué)工具本身可以成為目的，而不僅是開(kāi)展其他研究工作的手段。

“新的化學(xué)測(cè)量方法的發(fā)展對(duì)于推動(dòng)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展很重要。針對(duì)更復(fù)雜的體系、更微量的樣品以及化學(xué)動(dòng)態(tài)過(guò)程，我們需要發(fā)展更精準(zhǔn)、更靈敏、更快速的測(cè)量方法和儀器，這樣才能更好地推動(dòng)我國(guó)化學(xué)學(xué)科的內(nèi)生發(fā)展。”中國(guó)科學(xué)院院士、自然科學(xué)基金委化學(xué)部主任楊學(xué)明指出。

他看到，過(guò)去一年里，我國(guó)在化學(xué)測(cè)量學(xué)方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，新的科學(xué)儀器和測(cè)量方法不斷涌現(xiàn)，也為我國(guó)化學(xué)研究領(lǐng)域培養(yǎng)了一支優(yōu)秀的儀器研發(fā)隊(duì)伍。

此外，融合傳統(tǒng)無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和高分子化學(xué)等相關(guān)材料、能源、化學(xué)內(nèi)容而新設(shè)立的“材料化學(xué)與能源化學(xué)”領(lǐng)域，則拓展了化學(xué)科學(xué)作為創(chuàng)造新物質(zhì)的中心科學(xué)，在面向重大科學(xué)前沿和國(guó)家重大需求方面發(fā)揮重要支撐作用。

高度交叉的分子科學(xué)

2019年，以分子科學(xué)為基礎(chǔ)和核心重塑化學(xué)的內(nèi)生動(dòng)力，成為中國(guó)化學(xué)家開(kāi)辟的一條新路徑。

朱道本告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，分子科學(xué)主要研究物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)、反應(yīng)與機(jī)制、性質(zhì)與功能。“我們應(yīng)當(dāng)清楚地認(rèn)識(shí)到，分子科學(xué)是與材料、生命、信息、環(huán)境、能源等領(lǐng)域相互交叉、滲透的一個(gè)中心科學(xué)。”他強(qiáng)調(diào)。

其中，和物理科學(xué)的交叉，可以解決分子及分子以上層次化學(xué)鍵精準(zhǔn)重組問(wèn)題，以及結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系等問(wèn)題。而這正是化學(xué)最基本的內(nèi)涵，將為分子科學(xué)注入強(qiáng)勁動(dòng)力。材料、生命、信息、能源等對(duì)化學(xué)提出的物質(zhì)、方法、技術(shù)等方面的需求，則被認(rèn)為是這一學(xué)科的外在發(fā)展動(dòng)力。

12月18日，王健君與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授周昕等學(xué)者在《自然》發(fā)表的研究中，用表面相對(duì)穩(wěn)定的氧化石墨烯制備了一系列納米材料，研究了不同尺寸氧化石墨烯在不同溫度時(shí)結(jié)冰的情況，證實(shí)了吉布斯提出相變“經(jīng)典成核理論”中臨界冰核的存在。

在王健君看來(lái)，這項(xiàng)研究將物理與化學(xué)學(xué)科深度交叉，對(duì)水結(jié)冰這一重要相變現(xiàn)象的微觀機(jī)制的理解，也能為實(shí)現(xiàn)人為控冰應(yīng)用方面提供重要理論指引。

2019年10月，香山科學(xué)會(huì)議第663次學(xué)術(shù)討論會(huì)聚焦“功能π-體系分子材料前沿與創(chuàng)新”。會(huì)議上，分子科學(xué)研究前沿領(lǐng)域得到進(jìn)一步聚焦，智能化學(xué)與技術(shù)、分子材料與器件、綠色碳科學(xué)與激發(fā)態(tài)化學(xué)、表界面與軟物質(zhì)科學(xué)、生命過(guò)程的分子基礎(chǔ)被認(rèn)為是分子科學(xué)的六大發(fā)展方向。

為解決這些領(lǐng)域中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，與物理學(xué)深度交叉滲透的分子電子學(xué)備受關(guān)注。

“未來(lái)，應(yīng)重視賦予‘老體系’以‘新內(nèi)涵’，布局研究有機(jī)拓?fù)浣^緣體、有機(jī)熱電、有機(jī)超導(dǎo)等新方向，以此推動(dòng)有機(jī)電子工業(yè)形成與發(fā)展。”朱道本指出，“21世紀(jì)的化學(xué)，將呈現(xiàn)多元化和高度交叉的發(fā)展趨勢(shì)，中國(guó)學(xué)者應(yīng)充分把握好分子電子學(xué)領(lǐng)域自主創(chuàng)新的機(jī)遇，為化學(xué)科學(xué)注入新的發(fā)展動(dòng)力。”