我國科學家首次從實驗上探測到臨界冰核，研究結(jié)果在《自然》上發(fā)表。

■本報記者 甘曉 實習生 劉心元

2019年，是中國化學研究的“豐收”年，也是“轉(zhuǎn)型”年。與其他學科相比，中國化學研究已邁進世界“第一梯隊”，也在諸多領域?qū)崿F(xiàn)“領跑”。在化學學科轉(zhuǎn)型的當下，中國化學研究者在化學與物理學科交叉、化學各個二級學科之間的交叉方面取得優(yōu)異成績，為重塑化學學科的內(nèi)生動力探索了新的道路。

12月18日，中國科學院化學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。這是今年中國化學研究者在《細胞》《自然》《科學》（CNS）頂級期刊發(fā)表的第12篇論文。這一數(shù)字保持了近3年以來的一貫水平。

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

“2019年，中國化學家以重組后的‘合成化學’等領域為中心開展的工作漸入佳境，為重塑化學學科提供了內(nèi)生動力。”國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）化學部常務副主任陳擁軍告訴《中國科學報》。

轉(zhuǎn)型中的化學學科

歷經(jīng)百年，化學學科建立了完備的學科體系，發(fā)展出無機、有機、物化、分析、高分子等多個二級學科。但是，近幾年來，化學家們越來越感覺到，作為一門科學的化學正面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

陳擁軍指出：“化學逐漸呈現(xiàn)出被工具化的傾向，其發(fā)展越來越依靠其他學科的需求牽引，內(nèi)在發(fā)展缺乏動力。”今年7月，中國科學院院士朱道本在接受《中國科學報》采訪時也提到：“好的應用固然重要，但我們?nèi)匀粦�當堅持化學是一門科學。”

毫無疑問，化學學科走到了轉(zhuǎn)型的十字路口。2016年，以“轉(zhuǎn)型中的中國化學”為主題的第30屆中國化學年會召開。會上，中國化學家聚焦“發(fā)揮中心科學作用”“推動交叉融合”等話題，謀劃化學學科轉(zhuǎn)型的未來。

2017年底，自然科學基金委化學部重組了學科資助代碼體系；2018年起，資助方向變化為8個新領域，包括合成化學、催化與表界面化學、化學理論與機制、化學測量學、材料與能源化學、環(huán)境化學科學、化學生物學、化學工程與工業(yè)化學等。

作為資助基礎研究的主渠道，自然科學基金委的舉動往往具有牽一發(fā)而動全身的效果。對中國化學界而言，學科資助代碼體系的調(diào)整如同引發(fā)蝴蝶效應的翅膀已經(jīng)扇動。

漸入佳境的“合成化學”

在新的8個資助方向中，“合成化學”取代了無機化學、有機化學、高分子化學等3個傳統(tǒng)的二級學科。“目的是鼓勵化學工作者跨越學科邊界，打破常規(guī)，相互促進，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”已漸入佳境——

10月17日，浙江大學化學系教授唐�？祱F隊在《自然》上發(fā)表的一項成果，跨越了無機化學與高分子化學的界限。研究人員通過借鑒高分子聚合的概念指導無機材料制備，提出了無機離子聚合反應的新概念，利用無機離子寡聚體的聚合與交聯(lián)實現(xiàn)復雜形貌材料的連續(xù)結(jié)構(gòu)制備，為材料制備提供了一條新途徑。

另一項代表性成果來自南昌大學和東南大學教授熊仁根團隊。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)超越了無機陶瓷固溶體鋯鈦酸鉛。這項成果反映了無機合成與有機化學的融合。相關(guān)研究成果于2019年3月15日在《科學》上發(fā)表。

中國科學院上海有機化學研究所有機氟化學重點實驗室研究員董佳家課題組則致力于有機合成與藥物發(fā)現(xiàn)以及化學生物學的融合。他們在尋找新反應的過程中，意外發(fā)現(xiàn)一種安全、高效合成、罕見的硫氟類無機化合物“氟磺酰基疊氮”的方法。他們同時發(fā)現(xiàn)該化合物對于一級胺類化合物有極高的重氮轉(zhuǎn)移反應活性和選擇性。這項成果于2019年10月2日在《自然》上發(fā)表，并在不久前被該雜志評為今年十大科學進展。

在研究者看來，這些標志性成果展現(xiàn)出“合成化學”作為融合的科學領域?qū)χ厮芑瘜W內(nèi)生動力的重要意義。“未來，以‘合成化學’等學科領域為抓手的學科交叉融合將是化學學科的發(fā)展趨勢。”陳擁軍強調(diào)。

為轉(zhuǎn)型中的化學學科擺脫工具化傾向、重塑其內(nèi)生動力，除了合成化學外，另一個著力點在分析化學的改革。在自然科學基金委的學科代碼調(diào)整中，分析化學和譜學一起“轉(zhuǎn)型升級”為化學測量學。

中國化學家們看到，如果說化學越來越具有工具性，那么分析化學長期以來在化學學科中又是工具的工具。“新工具即新科學”這一理念已深入化學家心中。他們相信，發(fā)展新的科學工具本身可以成為目的，而不僅是開展其他研究工作的手段。

“新的化學測量方法的發(fā)展對于推動化學學科的發(fā)展很重要。針對更復雜的體系、更微量的樣品以及化學動態(tài)過程，我們需要發(fā)展更精準、更靈敏、更快速的測量方法和儀器，這樣才能更好地推動我國化學學科的內(nèi)生發(fā)展。”中國科學院院士、自然科學基金委化學部主任楊學明指出。

他看到，過去一年里，我國在化學測量學方面取得了長足進展，新的科學儀器和測量方法不斷涌現(xiàn)，也為我國化學研究領域培養(yǎng)了一支優(yōu)秀的儀器研發(fā)隊伍。

此外，融合傳統(tǒng)無機化學、有機化學和高分子化學等相關(guān)材料、能源、化學內(nèi)容而新設立的“材料化學與能源化學”領域，則拓展了化學科學作為創(chuàng)造新物質(zhì)的中心科學，在面向重大科學前沿和國家重大需求方面發(fā)揮重要支撐作用。

高度交叉的分子科學

2019年，以分子科學為基礎和核心重塑化學的內(nèi)生動力，成為中國化學家開辟的一條新路徑。

朱道本告訴《中國科學報》，分子科學主要研究物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)、反應與機制、性質(zhì)與功能。“我們應當清楚地認識到，分子科學是與材料、生命、信息、環(huán)境、能源等領域相互交叉、滲透的一個中心科學。”他強調(diào)。

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

12月18日，王健君與中國科學院大學教授周昕等學者在《自然》發(fā)表的研究中，用表面相對穩(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結(jié)冰的情況，證實了吉布斯提出相變“經(jīng)典成核理論”中臨界冰核的存在。

在王健君看來，這項研究將物理與化學學科深度交叉，對水結(jié)冰這一重要相變現(xiàn)象的微觀機制的理解，也能為實現(xiàn)人為控冰應用方面提供重要理論指引。

2019年10月，香山科學會議第663次學術(shù)討論會聚焦“功能π-體系分子材料前沿與創(chuàng)新”。會議上，分子科學研究前沿領域得到進一步聚焦，智能化學與技術(shù)、分子材料與器件、綠色碳科學與激發(fā)態(tài)化學、表界面與軟物質(zhì)科學、生命過程的分子基礎被認為是分子科學的六大發(fā)展方向。

為解決這些領域中的關(guān)鍵科學問題，與物理學深度交叉滲透的分子電子學備受關(guān)注。

“未來，應重視賦予‘老體系’以‘新內(nèi)涵’，布局研究有機拓撲絕緣體、有機熱電、有機超導等新方向，以此推動有機電子工業(yè)形成與發(fā)展。”朱道本指出，“21世紀的化學，將呈現(xiàn)多元化和高度交叉的發(fā)展趨勢，中國學者應充分把握好分子電子學領域自主創(chuàng)新的機遇，為化學科學注入新的發(fā)展動力。”