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21世纪几个化学前沿学科的初步探讨

2012-7-6 17:35 浏览次数:596 我来说两句(0)
论文导读:新世纪的化学科学包含了对下列八个层次的物质对象的研究: 原子层次的化学包括核化学、放射化学、同位素化学、sp区元素化学、d区元素化学、4p区元素化学、5f区元素化学、超5f区元素化学、单原子操纵和检测化学等。 分子片层次的化学原子只有110余种,但分子数...  新世纪的化学科学包含了对下列八个层次的物质对象的研究:
  原子层次的化学包括核化学、放射化学、同位素化学、sp区元素化学、d区元素化学、4p区元素化学、5f区元素化学、超5f区元素化学、单原子操纵和检测化学等。
  分子片层次的化学原子只有110余种,但分子数目已超过2000多万种。因此,在原子和分子之间引入一个新层次“分子片”,新世纪广泛展开对分子片化学的研究。
  分子层次的化学现在已合成出的2000多万种化合物(分子),通常分为无机、有机和高分子化合物。但近30多年来合成的众多化合物,如金属有机化合物、元素有机化合物、原子簇化合物、金属酶、金属硫蛋白、富勒烯、团簇配位高分子等已不能适应传统的分类方法,新世纪将研究分子的多元分类方法。如按其结构类型和结构方式可分为0维、1维、2维、3维分子等。
  超分子层次的化学其中包括受体和给体的化学、锁和钥匙的化学、分子间的非共价作用力、范德华引力、各种不同类型的氢键、亲水———亲水基团相互作用、疏水———疏水基团相互作用、疏水———亲水基团相互作用、分子的堆积、组装、位阻及包括各种空间效应等。
  生物分子层次的化学包括生物化学、分子生物学、化学生物学、酶化学、脑化学、神经化学、基团化学、生命调控化学、药物化学、手性化学、环境化学、生命起源认知化学和从生物分子到分子生物的量变———质变的飞跃过程。
  宏观聚集态化学包括固体化学、晶体化学、非晶体化学、流体和溶液化学、等离子体化学、胶体化学和界面化学等。
  介观聚集态化学包括纳米化学、软物质化学、胶团———胶束化学和气溶胶化学等。
  复杂分子体系的化学随着新世纪脚步的不断加快,作为影响世界发展重大趋势之一的科学技术,对人类社会经济、政治和物质文化生活所产生的巨大作用,愈来愈引起世界各国的关注。而作为物质科学组成之一的化学科学,新世纪赋予了其中心科学的地位及重大历史使命。这就要求化学工作者拓宽思路、放开眼界、不断推进化学科学的改革和发展,开展多层次的化学研究,不断丰富化学科学的理论、方法和手段,以及重新组合化学分支学科,打破传统二级学科的束缚,实现学科之间的相互交叉、相互融合、相互补充、相互渗透。以下,笔者就21世纪初化学与环境的相容性、化学中的能源科学、新材料、生命科学、化学工程等化学科学的前沿作一些初步的探讨。
  概括性论述环境相容性化学———绿色化学绿色化学又称环境无害化学或环境友好化学,是一门具有明确的社会需求和科学目标的新兴交叉学科。其目的是合理利用现有资源和能源,降低成本,一改“先污染,后治理”的传统化学的环境对立性,从根本上避免和消除了对生态环境有毒有害的原料、催化剂、溶剂和试剂的使用及产物、副产物等的产生,力求使化学反应具有“原子经济性”,实现废物的“零排放”。由于绿色化学的环境相容性,使其成为发展生态经济和工业的关键,是实现可持续发展战略的重要组成部分。在新世纪初绿色化学的核心问题主要有:
  绿色合成技术方法和过程包括反应方法尤其是原子经济反应及高选择性、高转化率反应,高效均相和多相催化,特别是不对称催化反应,酶催化和仿生催化;环境友好介质和原料的选择(如超临界CO2·H2O)等。
  可再生资源的利用和转化中存在的一系列问题的研究包括生物质与酶分子的“手性”和类似手性的空间构型选择性的化学物理特征;一系列重要生物质与酶在酶催化转化过程中的“构———效”关系;高分子的化学、物理改性、制备环境相容的可生物降解材料;生物质中各种成分的分级多层次转化机理、途径及其综合利用等。
  矿物质资源高效利用中存在的关键科学问题的研究包括复杂矿物质的相结构、性能及多组元间相互作用与自催化特性;多元素拟均相“原子经济”反应及高选择性分离;生物分离提取矿物的选择性催化和生物转化机制;介质和工业代谢产物的循环、再生、利用及零排放系统设计等。
  新材料化学科学建立在化学支撑上的材料科学[3]是人类生活和生产的物质基础,是人类认识和改造自然的武器和工具,材料是人类社会进步和发展程度的标志之一。
  新材料的出现,不断支持和推动着人类文明的发展和技术进步。新材料的研究主要有以下几个方面:
  复合型材料复合材料化学是现代科学技术发展的必然产物。
  它既是多种学科成果的综合,又与其它学科相互渗透、相互融合、相互促进。由两种或两种以上的不同材料用特殊方法组合起来的复合材料,克服了单一材料的缺点,同时具备各种“组元材料”的优点。如:纤维增强复合材料、颗粒复合材料、叠层复合材料等。
  新型能源材料能使各种能源形态,包括热能、电磁能、光能、机械能、核能和化学能等相互高效率转换,以达到运输、储存能量的材料称为能源材料。包括光能输送材料(空芯光纤)、能量储存材料、蓄热冷冻材料(磁制冷、激光制冷)、有机光功能分子的设计及合成等。
  其中的核心研究问题如下:
  高比能化学电源的基础研究。针对当前最主要的高比能二次电池———锂离子电池与金属氢化物所存在的问题及改进发展的需要,重点研究:
  充、放电及其对二次电池化、循环寿命及储存性能的影响研究。
  对电池及正、负极因熵变和极化产生的热效应的研究。
  锂锰氧化物及其它过渡金属化合物正极材料的合成及嵌脱锂电化学过程的研究,其中包括纳米材料的合成方法及其材料嵌脱锂过程动力学与表征技术。
  单晶和粉末石墨及玻璃态氧化物电化学嵌脱锂动力学研究。


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