化学问题问题？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-06-28 11:18 标签： 化学式

首先要明确化学的研究领域，如果按照物质尺寸划分，化学研究的范围应该是原子半径以上，微米以下。单个的原子及比原子还小的粒子是物理学的范畴，微米以上大到肉眼可见的宏观体系是材料学的范畴，尺寸大到天文单位，就又是物理学的天下了（也可以说是天文学）。说白了，传统上化学主要研究分子。

按照尺寸划分的学科疆域显然不是那么严格的，不是泾渭分明而是犬牙交错。

在分子生物学建立起来之前，生物学研究很大程度上也位于微米以上，经典的生物学可不就是植物学、动物学这些分类学嘛，DNA双螺旋结构发现以前，所谓遗传学也不过是育种学，孟德尔豌豆的那一套。但分子生物学建立后，生物学发生了翻天覆地的变化，它的研究对象尺度一下降低到分子级别，跟化学的范畴发生了重叠。现在的生物学，绝大部分领域的研究重点都到了分子层面。那么问题来了，我研究蛋白质分子，是属于生物学还是化学？显然都可以，现实也是如此，解蛋白质结构的施一公院士是生物学教授，搞蛋白质合成技术的刘磊教授是化学教授。同样一个对象，不同学科有不同学科的角度，并没有那么严格的界定。

物理学也不是老实待在原子及以下尺寸的学科，这部分只是现代物理学的一部分——粒子物理学，而世界物理学的最热门方向其实是凝聚态物理，拥有最多物理研究人员，发表最多物理论文。所谓凝聚态，就是固态和液态，这研究尺度一下子就上升到分子级别或纳米了，又和化学重叠了，如果对凝聚态物理和物理化学都熟悉的同学，应该知道这两个学科制备材料的手段其实挺相似的……

纳米科学是需要单独讲的一个学科，它不是物理、化学、生物那样的一级学科，但显然又是当下最热门的学科之一，其自身尺寸决定了这一点。纳米刚好位于分子尺寸以上，微米以下，是传统的化学不曾关心（尺寸太大），传统材料学也不曾关注（尺寸太小）的一个区域，一块新发现的处女地，又拥有很多奇异性质，因而物理、化学、材料等许多学科都涉及纳米科学的研究，是非常热门的领域。

在我看来化学是一门“开疆拓土”能力很强的学科，它能够扮演其他学科重要工具的角色（数学、物理常常如此，越基础的学科，作为工具的概率越大），也拥有自身独特的发展脉络，由于研究领域为分子尺寸和微纳米尺寸，你可以视其为桥梁，也可以像美国化学会定义的那样：化学，一门中心学科。

我们大致清楚了化学的研究范畴，下面我列举几个重要的未解决的化学问题。

【化学自组装】美国《科学》在2005年提出21世纪亟待解决的25个重大科学问题，化学自组装是唯一与化学直接相关的重大科学问题。自组装是以分子或分子以上层次的分子聚集体和纳米结构作为基本单元，通过弱键相互作用自发形成特定结构的过程，是创造新物质和产生新功能的重要手段。它的重点和难点在于“弱键相互作用”，更精简一点就是“弱”。“弱”意味着可控性差，从制备角度看就是很难得到预期产品，从理论角度看就是很难用简单的理论模型去描述。这里多说几句，前面有同学提到化学体系很难用准确的理论描述，尤其是没有向牛顿定律那样简单美观的公式。这是事实，化学体系的复杂性正是它的迷人之处，理论上的困难是它的固有性质产生的，和化学家行不行没什么关系，你让数学家物理学家来搞也一样不行，三个球互相吸引转来转去就把数学家困住了，化学体系，例如这个自组装问题，亿万个分子相互作用，而它们的作用又是“弱相互作用”，双重困难，数学家有办法解决吗，算得清楚吗？同样是纳米尺寸，凝聚态物理很热门的高温超导，实验做了一大堆，上限一再突破，就是不知道机理是什么，看来物理学家对这个尺度的问题也没有特别好的办法。

【可控分子合成】这是我生造的词，其实不能算是一个问题，而是化学这门学科的终极追求。在如家化学很多分支都和别的学科交叉的情况下，有机化学（包括高分子化学）仍然在做这方面的努力。化学家已经创造了许多自然界原本没有的物质，它们是现代社会的物质基础。又或者从自然界提取某些物质，用化学方法合成，降低其成本，改良其性能。这条路，就目前来看还很漫长。首先是某些极为重要的物质的合成方法并不完美，例如氨气，氨气对工农业都极为重要，但化学家始终没找到完美的催化剂来高效环保地制造合成氨。

第二是某些重要天然产物的合成问题，一些作为特效药的天然产物由于无法人工合成，只能从自然界提取，成本高昂，这有赖于全合成化学家的努力。

第三可能是最困难的一个，根据功能设计分子结构，合成分子，如前面的同学提到的，这是构效关系问题。例如需要制造一种药物，如果我知道靶点蛋白和结构，我用计算机设计出能作用于靶点的最完美的分子，再去合成它，这显然是很理想的。目前虽然计算机辅助药物筛选已经很流行了，但它仍然是“辅助”，结果不一定正确，正确的也不一定是最好的。合成完的药物分子还需要生物实验再进行验证和筛选。合成这一步不要以为很简单，如果真的只是做饭炒菜一样的level，合成方法学也不会发出那么多文章了，不过考虑到这是化学家的传统优势项目，解决起来应该比前一步的设计要容易一些。

【纳米材料的可控合成及实用化】纳米材料非常非常热，从文章的影响因子看，当今科学界唯一能和生物领域匹敌的只有纳米材料。很多高档次的杂志都有一大帮化学家、物理学家、材料学家在大量灌水纳米材料方面的文章。但还没有人能真正解决纳米材料的可控合成，一种合成方法一般只适用于一种或一类纳米材料，同样是纳米线，金纳米线和银纳米线的合成方法迥然不同，100nm的金纳米棒和500nm的金纳米棒合成方法也不同。而且很多文章的重复率不好，因为纳米材料的合成受条件影响太大（这一点上远不如有机合成文章那么可靠）。而且另一个致命问题是，不像有机或无机分子，虽然完美的构效关系理论还没有，但一般行家看到分子结构会对其性质有个大概的感觉和预测，纳米材料不是这样，其构效关系更为复杂，或者有些文章就是为了合成某种奇异的结构，对其性质并不十分关心，例如我个人觉得很无聊的“纳米花”结构。

关于实用化，是困扰纳米科学界的一个很头疼的问题，纳米科学刚诞生的时候被各方广泛看好，觉得人类的新时代就要因此到了，但几十年过去了，纳米材料的文章发了不少，真正实用化的寥寥无几，或者即便实用化了也没有产生预期那么好的效果。

【生命的化学基础】这不是生物学的问题吗？你当然可以这么认为，现实是不管化学还是生物学，都有大批科学家在做这方面的研究，大家思路可能不一样，但殊途同归嘛。这又是一个涵盖广泛的大问题。我感兴趣的是了解了生命的化学基础后，改造/制造生命的问题。有人会说生物学家早就可以改造/制造生命了，克隆啊，试管婴儿啊，敲掉细菌几个残基等等，但生物学家玩的还是自然界的那一套，脱氧核糖核酸无非就是那四种，氨基酸无非就是那二十几种，但化学家可以合成自然界没有的脱氧核糖核酸、氨基酸，它们对生命的影响或者用它们制造的生命显然是会非常不同，目前已经有人在尝试了，所谓合成生命嘛。

篇幅和学识所限，只能泛泛而谈，欢迎指正。

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