书城教材教辅中学理科课程资源-追溯化学发展
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第22章 物理化学(3)

1985年、1991年、2002年的获奖,是物理化学在结构化学分析方法上的直接贡献。1996年获奖的发现直接引发了无机化学和纳米材料化学的蓬勃发展。1986年、1992年、1995年、1999年获奖的内容,都直接属于化学反应动力学方面的贡献,其中1995年获奖的内容为关于全球环境和问题有关的蒙特利尔国际公约和京都议定书的签订提供了直接的科学依据,影响了世界各国与环境相关的环境、产业和社会政策。1998年的获奖是量子化学理论和计算方法的进展。其中值得强调的是,1996年和2002年的获奖与化学动力学方面的研究也有密切的关系,其中John B. Fenn是在20世纪50年代就开始通过分子束技术研究化学反应动力学的科学家之一,而Robert F,Curl Jr,Sir Harold Kroto,Richard E,Smalley在偶然发现C60分子之前,是研究反应动力学和光谱学的著名专家,发现C60。的手段也是为研究反应动力学和光谱而建造的(我国厦门大学的郑南荪院士在20世纪80年代初参与了其设计和建造)。

不过,最近20年获得诺贝尔奖的工作,绝大部分是更早的时间里就已经开展和完成的工作。所以,还不能完全将它们等价为最近20年来的研究进展。了解最近20年的物理化学研究进展,可能从近十几年来的专业杂志和综述文献中去寻找线索更为可靠。

在过去20年中,物理化学研究中的重要研究手段、方法和技术出现了长足的进步,特别表现在各种重要的实验研究技术越来越稳定、可靠和便于使用。这在过去二十年来为物理化学,特别是实验物理化学的研究提供了前所未有的可能性。

①时间分辨技术 各种时间分辨的激光和电子检测技术,从连续波到纳秒、皮秒乃至飞秒激光技术等;

②光谱分辨技术 从X射线到紫外、可见、红外、微波甚至长波波长的光源和光谱技术,高分辨光谱技术等;

③空间分辨技术 各种扫描显微技术,如STM、AFM、近场光学技术、共焦显微技术等单分子控制和检测技术等;

④分子运动控制与质谱技术 分子束技术、离子阱、电子光学与离子光学、电喷雾与基质脱附电离技术等现代质谱研究中的关键技术、光镊或光钳技术,扫描显微控制技术等;

⑤光电检测技术 各种时间和光谱分辨的光子检测技术、电子和离子检测技术、电子信号处理技术、光学和电子或离子成像技术等。

在过去20年里,计算技术和计算机运行速度、超级计算机等有了非常迅速的发展和普及,使得许多以前不敢想像的精确和复杂计算,以及对生物大分子体系的大规模计算成为可能,为理论和计算化学提供了前所未有的发展机会。

在过去20年中,随着实验和计算技术的发展,物理化学研究,包括实验物理化学和理论物理化学研究,至少在以下的一些方面的确取得了非常重要的和系统的进展,有望成为未来10~20年诺贝尔化学奖中有关物理化学的内容。

①单分子的物理化学 包括结构和动力学,也包括其在生物化学和生物物理学中的应用。首先,单分子检测的方法和手段,以及相关的理论方法得到了的长足的发展,其次,对单个分子的结构、性质和动力学行为,包括复杂的大分子的内部相对运动的细节也已经有了较为深入的认识,并且,在单分子、单粒子层次上研究化学、材料和生物大分子的性质和运动规律的应用方面也取得了相当大的进展,并且逐步深人开展。

②凝聚相和界面上分子的结构、相互作用和动力学过程研究 不仅在实验方法和手段上有了重要的进展,包括各种非线性光谱和超快时间分辨光谱,还在系统的理论方法上有了系统的进展,包括多位光谱的理论等。这些进展将对了解复杂体系和生物体系中的重要现象和过程起非常重要的作用。

③化学过渡态的本质和化学反应的控制 在深入认识化学反应中化学反应过渡态的本质方面出现了一系列重要的研究进展。气相基元化学反应动力学和态一态反应动力学的研究在过去三十多年里有了非常深入的发展。最近的发展方向主要集中在对重要的和有代表性的基元化学反应体系的势能面的,精确计算和分子束、高分辨光谱及动能谱测量、超快动力学测量等,从而对这些化学反应的量子效应,如量子干涉效应,非绝热过程等具有重要的基本理论价值和认识价值的动力学问题的深入研究。这方面的研究要求精确的实验数据和充分细致的势能面计算的结合。在气相基元化学反应动力学和态一态反应动力学的研究的基础上,通过激光对化学反应进行量子和反应控制的实验和理论得到了很大的发展。

④超快电子衍射等结构和动力学研究 最近几年通过飞秒激光技术的发展,使得产生足够束流密度的超快电子束成为可能,在此基础上已经开展了一系列的实验和理论研究工作,研究了一系列分子结构和动力学变化。此方面的研究工作的进展,向解决如何直接研究化学和生物学中相关的结构和动态结构的重要问题迈出了非常重要的一步。

以上只是物理化学领域的一些特别突出的基础性和前沿性的研究进展。在物理化学的非常广泛的研究内容中,重要的进展还非常之多。近些年来在复杂体系量子动力学方面的研究进展很快;在复杂和超大型分子动力学计算研究方面进展也非常迅猛,使得所谓的计算生物学技术(in-silico)开始成为一门真正具有前途的学科;在材料物理化学、纳米材料科学,特别是纳米催化、光化学和功能材料研究方面研究进展的非常广泛;生物物理化学和相关的物理化学研究,特别是光合作用、视觉过程、膜蛋白的结构、动力学等研究,进展非常快,生物无机物理化学中的重要问题的研究也发展很快;界面光化学和光化学太阳能电池相关的基础物理化学研究也取得了非常重要的发展等。

展望

任何一个学科都具有其内在的内容、方法和手段,以及其发展的内在规律,物理化学也不例外。政府和社会对物理化学学科的需求和支持,也有其内在的特点和规律。如何从物理化学学科自身和国家及社会需求的角度来认识物理化学学科,寻求发展物理化学学科的思路,创造适合物理化学学科发展的学术和教育环境,提供物理化学学科发展需要的社会环境和制度性保障,从而促进整个化学学科和相关学科的可持续发展,为国家和社会的可持续发展提供新的知识、方法、技术和人才,正是摆在我们面前的艰巨任务。

孔子说:“君子务本,本立而道生”。物理化学学科的发展需要相关的人们,包括政府中的管理者、科学基金工作者、整个科学界和社会中有影响的人士、物理化学界的专家、学者、学生,对于物理化学学科的“本”有比较清楚和一致的认识。这个“本”就是物理化学学科要为整个化学学科以及物质科学提供基础理论、研究手段和研究方法,并为发展基础教育和培养研究和技术人才的事业做出贡献。这样,物理化学才能在社会的科学事业,教育发展和技术进步的同时也得到充分发展的机会。

为了实现这些目标,物理化学的研究应该集中在寻求基础理论、研究手段和研究方法方面的突破,通过这些前沿研究培养和训练具有研究和创新能力的研究、教育和人才队伍,并且让这些具有研究和教育能力的“多面手”能够在国家和社会的高技术和科学发展中发挥起作用。要做到这些,必须充分发挥实验物理化学和理论计算化学能够在前沿研究中对研究人员和学生进行充分综合性训练的学科优势和特点。从Gordon Moore的例子中,我们应该能够看出现代物理化学在高级人才训练方面的这些优势作用。从物理化学学科在20世纪美国的蓬勃发展的历程,我们电应该可以意识到中国物理化学学科发展的前景和道路。从物理化学发展的历史经验中可以看到,物理化学学科是一个大国的学科,它的基础性和研究内容手段的广泛性要求一定的学科规模和人才基数。我们现在正好赶在中国的基础教育和大学教育复兴和蓬勃发展的时期,这一时期应该会持续相当长的一段时问,这正是我国物理化学学科的发展和壮大的天赐良机。

不过,许多现存的因素会可能给物理化学学科的发展带来巨大的障碍。物理化学学科是追求认识和对自然的定量了解的学科,因此,物理化学学科中最为重要的是对原理、手段和方法的掌握,这也是为什么相比之下物理化学学科能够和大学以及研究生等高级人才的教育良好结合的原因。而一个人要很好地掌握物理化学中基本原理、手段和方法,需要在其人生较早的时期进行较为长期的专门和严格训练。这也是为什么物理化学的基础虽然将来会非常有用,但在研究和训练中却尽量地要强调问题的科学性,而不是实用性。其实,所有基础学科都应该具有这一共同特性。目前国内的经费资助方式,学术评价方式虽然也正在不同程度地有所好转,但对于物理化学这种基础性学科的发展,以及基础人才的训练来讲仍然是相当不利的。对于物理化学的资助和评价应该尽量地与尖端人才的培养联系起来,这在中国尤为关键。现代社会中研究成果向技术的转化速度较之传统社会更快,所以人们不会有太多的时间在实际的应用工作中去学习相当多的基本原理、方法和关键技术。这一现实要求社会对原理、方法和技术基础的学习教育过程和实际的应用操作进行分工,安排在不同的阶段和由不同的主体负责。在片面强调应用和成果转化的环境和气氛下,无法将应用研究和开发与教育和训练的过程安排在具有不同分工的社会机构中,因此导致大学和研究生教育和训练的过程被缩短和简化,这将直接影响到整个社会的应用和开发研究的进行。高级人才的训练不足,其具体表现还在于博士研究生的研究训练不足,这将成为我国科学和高技术发展面临的一个巨大问题。如果我们不能灵活地绕过这些障碍,那么物理化学和其他基础学科的发展将会成为不能实现的空想。

《物理化学的世界》(“The World of Physical Chemistry”)一书的作者,著名的物理化学家Keith J.Laidler在1998年有牛津大学出版社出版的《去点燃这样一枝蜡烛》(“To Light Such A Candle”)一书中,通过对从工业革命开始瓦特发明蒸汽机以来的两百多年中的七大重要技术突破,包括蒸汽机、照相术、电力、收音广播、电子学、大分子结构测量技术以及原子核能,与当时科学发展之间的关系的科学和技术历史研究,总结了基础科学研究与技术进步以及社会发展之间的互动关系,及其变化规律和历史教训。这些历史上的重大技术突破,与历史上的许多著名物理学家和物理化学家的努力具有相当直接的关系。这也是促进作为物理化学家的Kelth J.Laidler愿意和有能力关心和研究这些问题的重要因素。Keith J.Laidler在书中总结出来的重要原则性结论有三点:

(a)纯粹的(基础性的)研究应该完全用其研究质量来评判,而不是用可能的实际应用;

(b)技术和工程必须建立在纯粹的(基础性的)科学之上,通过经验创造发明的时代早就已经过去了;

(c)关于科学和技术的任何决策必须基于对所有相关因素的仔细考量基础之上。

这些结论都非常简单和平实,人们也大都知晓。但是,人们是否能够在实际的操作和运行中坚守这些原则,是否在对待具体的事情的时候能够做出正确的区分、判断和决定,才是真正最为关键的问题。不管怎样,这是一个著名的物理化学家通过他一生中对科学和技术的历史的研究和体会,对他的物理化学家同事们,以及整个社会和世界提出的忠告。这也许正是我们在回顾和展望物理化学学科以及整个科学的未来进展和前沿时应该谨记的。