面向21世纪的化学与化学工程，本文主要内容关键词为：化学工程论文,化学论文,世纪论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
21世纪的车轮声已清晰可闻。作为影响当今世界发展的几个重大趋势之一，科学技术的作用日益凸显出来。化学与化学工程为人类社会的进步发挥了巨大的作用，但同时也处于其发展的十字路口：一方面，目前在能源科学、环境科学、材料科学以及生物科学中，很大一部分研究领域都属于化学，这引起了人们对化学健康发展的疑虑：是不是其它学科正在占用的某些化学热点研究领域不属于化学了呢？另一方面，由于环境污染问题受到了高度重视而许多人将之归咎于化工生产过程，尽管这种看法有失偏颇，却也提醒化学和化工工作者们应尽早解决这一问题。
适逢世纪之交，人们免不了要对本学科的发展方向进行或深或浅的理性思考。笔者在较全面考察的基础上，不揣冒昧，从发展前景和方法论视角，对21世纪化学和化学工程的未来走向作如下论述，作为引玉之举。
1 化学和化学工程的发展前景
当今世界正面临着能源、食物、自然资源不足的问题和环境恶化的威胁，坚持可持续发展战略成了全球的共识，人类对征服疾病，认识自身也提出了更新的要求。我们既面临挑战，又适逢机遇。笔者认为，化学和化学工程在以下几个方面将大有用武之地：
1.1 能源科学
随着世界人口的持续上升，人类社会对能源的消耗也在不断增加。矿物燃料除了燃烧产生的二氧化碳带来的温室效应、酸雨等问题外，更重要的是我们正在烧掉那些在其它方面更有价值的资源。美国于1985年发展的化学发展报告《化学中的机会》指出，能源的根本性变化是不可避免的，化学和化工在这种变化中将扮演主要角色[1]。例如， 化学法储存是太阳能利用中进行能量储存较有希望的一种方法。同样，提高工业中大量低品位热源的利用程度需要将低温热源的温度提高（即热泵技术），化学法也是极有前途的。燃料电池的研究不仅是为了提高从化学能转化为电能的效率，也是为了既获得高效的电能，同时又实现所需的化学反应。
1.2 环境科学
防止大气和水污染以及处理污水都有化学和化工的用武之地。尽管许多人出于误解，认为污染是由化学造成的，实际上在保护环境方面，任何学科都起不到比化学更核心和更基本的作用。化学家们要为社会创造新的、安全的化学，即绿色化学，也就是用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用和产生[2]。 绿色化学的理想在于不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物，不再处理废物。它是一门从源头上阻止污染的化学，不把污染物带到下一个工序中去。
1.3 生命科学
化学已较广泛地进入了生命科学，并为此已经或正在作出重要的基础性贡献。与生命科学有关的诺贝尔化学奖从1980年的DNA到1997 年的ATP，18年间共有七、八项之多[3]。生命过程离不开蛋白质和核酸等大分子的参与，但除此之外还有更多的各式各样的有机分子甚至无机分子和金属离子涉及到这一过程。因发现了无机小分子NO在心血管系统中起到了传播信号的作用，美国三位科学家分享了1998年度诺贝尔医学奖。总之，研究有机体的生命科学正在召唤着有机化学家以及其它所有的化学家更多地进入到这一研究领域。
1.4 材料科学
材料科学的奠立离不开化学的有力支撑。我们已经看到了从金属到高分子材料的广阔前景，但是从合成高分子材料产生的垃圾由于不能自然降解而产生污染，如能制出在使用后可生物或光降解的聚合物，即可解决这个问题。基于对树状导电高分子、相变高分子及相关材料的基础研究，生物材料将有所发展，用于制造新的人体组织，如皮肤、软骨甚至神经。
新型无机材料，特别是薄膜材料（如微电子材料，光导、超导材料，光敏材料，抗磨损、耐腐蚀材料等）在近年来愈来愈显示出重要的意义， 制备这些材料的化学蒸汽淀积是一种应用反应工程原理的技术[4]。另外，纳米材料也可看作是化学工程学在空间小尺度范围上的延伸。
1.5 计算机科学
1995年，世界电子信息产业产值已达1万亿美元， 需要电子化工原料300亿美元，包括基材、光刻胶、掺杂剂、 封装材料及专用清洗剂等。另一方面，伴随着分子生物学的兴起和发展而出现了生物计算。所谓分子生物学，是从分子水平上理解生物体和生命过程，实际上也就是从化学的观点去从事现代生命科学的研究[3]。 目前人们已经发现在生物大分子之间遵循化学和物理规律发生相互作用过程中所形成的具有类似计算机的信息传输和处理、甚至逻辑运算功能的“生物电路”，提出一些蛋白质的主要功能不是构成生物体的某种结构，而是用于传输和处理信息。生物计算的发展所带来的生物芯片，即DNA芯片[5]，使人们所追求的数据并行处理和芯片自修复功能有可能实现。
1.6 食品
随着世界人口持续上升，人均粮食消费量水平不断提高，而城市化进程又使得本来不足的耕地资源逐年减少，粮食生产将面临前所未有的严峻形势。解决这个难题要靠化学，化学在现代农业中扮演着基础的角色，对提高农业的生产效益起着极为突出的作用。下一世纪，化肥工业仍是支撑农业发展不可动摇的基石。其它重点研究领域有：植物激素及生长调节物质、昆虫激素及生产调节物质、昆虫信息素、固氮和光合作用、海洋食物、生物活性分子的分离和鉴定。
2 发展中的化学和化学工程研究方法
方法是科学中极为重要的组成部分，一门学科的发生与发展往往伴随着研究方法的变革与创新。化学和化学工程也不例外，下面是我们在进行化学与化学工程研究中必须注意的几个方面。
2.1 原子经济的反应
在即将到来的21世纪，化学和化学工程在资源和环境科学中将大有可为。其实在很大程度上，环境问题是与资源问题密切相关的。废气、废水中的许多物质都是宝贵的资源，排放出去危害环境，拿下来造福人类。因此，我们在进行化学合成时要进行合理的反应设计，使之能高效、高选择性的进行反应并且尽可能节约地进行反应，尽可能减少三废排放。这就涉及到原子经济性（atom economy）的问题。Trost于1991 年在SCIENCE上发表文章，首先提出了原子经济性的概念[6]，即原料分子中究竟有百分之几的原子转化成了产物。所谓反应的原子经济性，即要求反应物中的原子极大限度地出现在产物中，在生产过程中尽可能不采用那些对产品的化学组成来说没有必要的物料。理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不产生副产物或废物，实现废物的“零排放”。例如环氧乙烷的生产[7]， 原来是通过氯醇法二步制备的，发现银催化剂后，改为乙烯直接氧化成环氧乙烷的原子经济反应。
2.2 分子识别
一个复杂分子的形成过程是与物质的时空秩序密切相关的，这就是反应过程中除物质、能量之外的信息因素。越是复杂的分子，这种有序性就越高， 所包含的信息量就越大[8 ]， 这一点可从超分子化学（supramolecular chemistry）的研究中得到证实。
与原子间由化学健作用而形成分子的分子化学不同，超分子化学是研究分子间相互作用缔结而形成复杂有序且具有特定功能的分子聚集体的科学，这种分子聚集体就称为超分子[9]。 超分子体系具有自组装（self－assembly ）、 自组织（self －organization ）和自复制（self－replication）的功能， 具有完全不同于原组成分子的全新性能而使得通常无法进行的反应得以进行，与生命科学和材料科学有着密切的关系。超分子体系形成的基础是分子间弱作用力的协同和空间的互补，这些弱相互作用通过叠加和协同，在一定条件下可转化为强结合能。拿范德华力来说，虽然它比较弱，专一性比较小，但在生物学上的重要性却不小。在酶和底物的结合中，虽然一种单一的范德华力并不存在专一性，但在酶和底物处于立体互补时，形成了大量的范德华力，就导致了酶的专一性的出现。这样一个分子间互补、组装的过程也就是通常所说的分子识别的过程。只有通过分子识别，超分子自组装体系才能表现特定的功能。当我们面临复杂体系的挑战时，必须意识到分子识别的重要性。
2.3 化学和化学工程是时空多尺度的科学
传统的化学在原子—分子水平上研究物质的组成、结构和性能以及相互转化，在这种称为化学反应或化学转化的过程中，原子相互结合的方式或结构是要改变的。而化学工程的研究对象则是在液滴—反应器的尺度范围内，其研究重点并不是化学现象本身，而主要是物理现象，或是在化学反应影响下的物理现象。此外，化学过程若要放大到生产规模时一般也离不开化学工程学。
然而目前这种情况有了变化，化学和化学工程的研究在时间上和空间上都有了个多尺度的跨越（a multiscale approach）。 从空间尺度来说，它们的研究对象完成了分子→配合物→原子簇化合物→超分子→纳米微粒→胶体高分子、核酸、蛋白质、糖、细胞→液滴、气泡、颗粒、晶粒→材料→设备规模的跨越；从时间尺度来说，对分子反应动力学与激光化学等超快化学反应过程的研究已经到了飞秒（10[－15]秒）级，而对环境、大气范围的研究可能需要几十年甚至上百年的时间。化学工程师需要更多的分子水平的知识，而化学家需要更多地注意高层次结构以及颗粒、气泡和液滴，还要懂得传递现象。化学与化学工程的重叠区域在扩大，它们都是时空多尺度的科学。
3 结束语
随着以高新技术为代表的现代科学技术的新突破，科学技术会在未来社会引起几倍于现在已有的变化，在21世纪，化学将揭示出更多的生物奥秘，创造出性能更为奇妙的材料，并通过与环境友好的食物生产与能源开发，来满足人类生活的需要和正常的经济运转。化学工程技术将在诸多领域内继续为人类的进步发挥其无法替代的作用。化学与化工工作者们应该树立信心，完善自我，注意以新的研究方法来指导自己的工作，在科技发展的前沿阵地与新技术产业中建功立业。