化學(xué)：人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)
——以諾貝爾化學(xué)獎為線索

袁進(jìn)，郝京誠

山東大學(xué)膠體與界面化學(xué)教育部重點(diǎn)實驗室，濟(jì)南 250100

1 引言

諾貝爾化學(xué)獎是以瑞典著名化學(xué)家、硝化甘油炸藥發(fā)明人阿爾弗雷德·貝恩哈德·諾貝爾(1833–1896)的部分遺產(chǎn)作為基金創(chuàng)立的5項獎金之一[1]。今年是從1901年頒發(fā)諾貝爾獎以來的120周年，到2020年共誕生了112屆諾貝爾化學(xué)獎。獎項涵蓋了基礎(chǔ)理論、化學(xué)方法、化學(xué)技術(shù)、化學(xué)物質(zhì)等方面，從各個領(lǐng)域影響著人類的生存與發(fā)展，在環(huán)境、能源、材料、生命科學(xué)以及信息技術(shù)等方面對社會做出了巨大的貢獻(xiàn)。在教授本科生物理化學(xué)二十年的教學(xué)過程中，經(jīng)歷了普通班級化學(xué)專業(yè)學(xué)生，“國家理科基礎(chǔ)科學(xué)研究和教學(xué)人才培養(yǎng)基地”(簡稱“理科基地”)班級學(xué)生，到“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)計劃1.0”(山東大學(xué)為“泰山學(xué)堂”化學(xué)專業(yè))化學(xué)專業(yè)學(xué)生。授課班學(xué)生人數(shù)有上百名的班級，有30名左右的班級，也有10名左右的小班級。2020年國家又實施“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)計劃2.0”，但授課過程中，可以發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生，即使是入選了拔尖計劃班的學(xué)生，仍然對自然科學(xué)的重要意義，特別是基礎(chǔ)科學(xué)研究的本真缺少基本的認(rèn)知。絕大部分學(xué)生缺失對學(xué)科社會貢獻(xiàn)的了解，甚至對于重大人類發(fā)現(xiàn)沒有基本的概念。本文希望以諾貝爾化學(xué)獎為線索，感受化學(xué)學(xué)科的魅力，了解化學(xué)學(xué)科的歷史，認(rèn)識化學(xué)學(xué)科的社會重要意義，從中思考化學(xué)學(xué)科該如何發(fā)展，特別是讓學(xué)生明晰一個基本的概念“化學(xué)是人類發(fā)展的基礎(chǔ)”。

2 化學(xué)的誕生與發(fā)展

化學(xué)具有悠久的歷史，可以說，從人類學(xué)會使用火開始，最早的化學(xué)實踐活動便拉開序幕。初期，化學(xué)首先經(jīng)歷了冶金、火藥、造紙等實用技術(shù)的發(fā)展。進(jìn)一步深入對燃燒研究，到18世紀(jì)，化學(xué)領(lǐng)域在基本理論方面具有了重大的突破。拉瓦錫是這一里程碑時期的代表人物，被稱為“近代化學(xué)之父”。他使得化學(xué)從定性轉(zhuǎn)為定量，給出了氧和氫的命名，標(biāo)志著近代化學(xué)的誕生[2]。至此化學(xué)作為一門自然科學(xué)，開始了他的偉大征程。隨后，經(jīng)歷了無數(shù)科學(xué)家的努力奮斗，現(xiàn)代化學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一張系統(tǒng)龐大、錯綜復(fù)雜的學(xué)科網(wǎng)絡(luò)，以四大化學(xué)為基本，發(fā)展出了許多不同層次的分支學(xué)科，在理論、實驗技術(shù)、應(yīng)用等方面實現(xiàn)了飛躍式的發(fā)展。無論現(xiàn)在還是未來，化學(xué)都將作為一門中心學(xué)科釋放他的無限能量。

3 化學(xué)學(xué)科對人類生存的社會貢獻(xiàn)

從近年來的諾貝爾化學(xué)獎入手，我們可以觀察到現(xiàn)代化學(xué)已經(jīng)滲透到人類生活的各個方面(圖1)，化學(xué)學(xué)科不僅促進(jìn)了不同學(xué)科的進(jìn)步與發(fā)展，還承擔(dān)著衣食住行、保證健康、提供能源以及保護(hù)環(huán)境等使命。接下來，我們將重新沿著諾貝爾化學(xué)獎的足跡，探究化學(xué)學(xué)科發(fā)展對人類生存與社會做出的巨大貢獻(xiàn)。

3.1 化學(xué)與學(xué)科進(jìn)步

化學(xué)作為一門中心學(xué)科，直接或間接地促進(jìn)了不同學(xué)科以及交叉學(xué)科的發(fā)展。對于物理化學(xué)這一基礎(chǔ)學(xué)科，已經(jīng)成為多學(xué)科的基礎(chǔ)，從諾貝爾化學(xué)獎可以了解不同學(xué)科的建立與發(fā)展過程，我們將以物理化學(xué)這一基本學(xué)科為例，探索學(xué)科進(jìn)步的足跡。第一屆諾貝爾化學(xué)獎授予了荷蘭科學(xué)家范特霍夫，表彰他發(fā)現(xiàn)了“溶液滲透壓”這一現(xiàn)象并提出“化學(xué)動力學(xué)”理論。在隨后的時間里，先后有12個諾貝爾化學(xué)獎項與物理化學(xué)理論直接相關(guān)(表1)。究其原因是物理化學(xué)的建立在根本上推動了化學(xué)學(xué)科的發(fā)展，他是一門研究化學(xué)變化本質(zhì)和規(guī)律的學(xué)科。物理化學(xué)的核心主要體現(xiàn)在“化學(xué)熱力學(xué)”“化學(xué)動力學(xué)”與“物質(zhì)結(jié)構(gòu)”三大方面[3]，這些是我們解決實際問題的理論基礎(chǔ)。通過研究化學(xué)熱力學(xué)，可以實現(xiàn)能量的綜合利用，達(dá)到節(jié)能減排的目的，還可以回答生命的起源；研究化學(xué)動力學(xué)可以提高反應(yīng)效率，直接提高經(jīng)濟(jì)效益；而所有問題的本質(zhì)都?xì)w因于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，探究生命現(xiàn)象、藥物療效、功能材料的本質(zhì)，我們便可以從分子水平上對各種材料進(jìn)行改造。足以見得物理化學(xué)是構(gòu)建現(xiàn)代化學(xué)的基石，它以堅實的根基、交叉性的學(xué)科特點(diǎn)以及哲學(xué)性的理論思維，支撐并引導(dǎo)著整個化學(xué)營壘，不斷推動社會的進(jìn)步與發(fā)展。

表1 與物理化學(xué)直接相關(guān)的諾貝爾化學(xué)獎

3.2 化學(xué)與生命科學(xué)

另一項貫穿諾貝爾化學(xué)獎歷史的研究領(lǐng)域是對于生命科學(xué)的探索。化學(xué)與生命科學(xué)的緊密聯(lián)系體現(xiàn)在兩個方面：一是利用藥物治療疾病，二是對于生命現(xiàn)象的探索[4]。目前先后有幾十項與生物化學(xué)相關(guān)研究獲得了諾貝爾化學(xué)獎(表2)。

表2 與生物化學(xué)相關(guān)的諾貝爾化學(xué)獎

利用化學(xué)合成藥物治療疾病直接與人類的健康與生存相關(guān)，其本質(zhì)為藥物合成化學(xué)。2001年諾貝爾化學(xué)獎獲得者野依良治(Ryoji Noyori)就曾提出：“化學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)的中心，而合成化學(xué)則是化學(xué)的中心”。它涵蓋了科學(xué)研究、材料創(chuàng)新、藥物研發(fā)等多個領(lǐng)域。早在1947年諾貝爾化學(xué)獎就表彰了羅伯特魯濱遜在生物堿方面的研究。他致力于有機(jī)結(jié)構(gòu)和有機(jī)理論的研究并應(yīng)用于生理學(xué)方面，成功地測出生物堿如罌粟堿、尼古丁嗎啡等的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)式，更突出的是他與一名學(xué)生精確地測定了青霉素等一批抗菌素藥物的結(jié)構(gòu)及在生理和藥理方面的作用機(jī)理，成功地合成了盤尼西林、馬錢子堿等藥物。合成藥物在人類健康以及壽命延長中起到了至關(guān)重要的作用。再看肆虐2020年的新冠肺炎(Corona Virus Disease 2019，COVID-19)，從病毒發(fā)現(xiàn)以來針對新型冠狀病毒的藥物研發(fā)就已經(jīng)開始。分離病毒、篩選種子毒株、研發(fā)檢測試劑、攻關(guān)藥物疫苗，這是維護(hù)人類健康之戰(zhàn)，是和死神的較量。展望未來，小分子藥物、生物大分子以及基因療法、細(xì)胞療法等新興療法將繼續(xù)為人類的健康保駕護(hù)航，這更離不開化學(xué)學(xué)科在藥物制劑創(chuàng)造，藥物選擇優(yōu)化以及藥物輸送系統(tǒng)的研究與創(chuàng)新。

而對于生命的探索是一個循序漸進(jìn)的過程。從表2中我們可以看出對于生命科學(xué)的探索主要通過對于生物分子的深入探究展開。從糖類、嘌呤等生物小分子到維生素、性激素、多肽激素以及蛋白質(zhì)酶等生物大分子，從結(jié)構(gòu)組成到化學(xué)合成，從性質(zhì)應(yīng)用到機(jī)制研究，利用化學(xué)理論從分子水平為破解生命的奧秘打開了一扇大門。以2020年諾貝爾化學(xué)獎為例，表彰了兩位女科學(xué)家在基因組編輯方法研究領(lǐng)域做出的貢獻(xiàn)。指的是CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)基因編輯技術(shù)，該方法具有成本低、易上手、效率高等優(yōu)勢，使得對基因的修剪改造變得“普通化”。隨著這一技術(shù)的應(yīng)用，植物研究者可以開發(fā)能夠耐霉菌、害蟲、和干旱的植物，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也使得治愈遺傳性疾病有望成為現(xiàn)實。可以見得，對于生命科學(xué)基本化學(xué)理論的研究不僅會在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域引發(fā)變革，還會產(chǎn)生眾多創(chuàng)新性成果。

3.3 化學(xué)與工業(yè)發(fā)展

說到化學(xué)大家往往第一個聯(lián)想到的就是工業(yè)發(fā)展。化學(xué)工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。當(dāng)今世界，化工產(chǎn)品涉及國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、資源開發(fā)和人類衣食住行的各個方面，對解決人類社會所面臨的人口、資源、能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展等重大問題，起到了十分重要的作用。而基本化學(xué)理論、化學(xué)技術(shù)是化學(xué)工業(yè)的發(fā)展核心?；瘜W(xué)工業(yè)經(jīng)歷了有機(jī)化學(xué)工業(yè)、石油化學(xué)工業(yè)、化工機(jī)械時期、化工系統(tǒng)工程學(xué)以及化學(xué)工業(yè)過程開發(fā)等多個階段，均在諾貝爾化學(xué)獎的足跡中得以體現(xiàn)(表3)。1905年，諾貝爾化學(xué)獎表彰了阿道夫·馮·拜爾(Adolf Von Baeyer)對有機(jī)染料以及氫化芳香族化合物的研究，正是他的研究，使世界上建立了無數(shù)個化工廠。從此有機(jī)化學(xué)工業(yè)進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段。再到1931年，化學(xué)高壓技術(shù)獲得了諾貝爾化學(xué)獎，對于現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。由于化工生產(chǎn)過程工藝復(fù)雜，操作要求嚴(yán)格，通常需要高溫、高壓的環(huán)境，因此化學(xué)高壓技術(shù)的發(fā)現(xiàn)使得更多的化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)成為可能。1963年齊格勒-納塔催化劑的研究使得化學(xué)工業(yè)的發(fā)展進(jìn)入了新的階段。催化劑的出現(xiàn)使得越來越多的化工生產(chǎn)不再需要高壓條件，大大減少了生產(chǎn)成本，并且實現(xiàn)了對于產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的控制。除此之外，從科學(xué)研究角度上，齊格勒-納塔催化劑帶動了對聚合反應(yīng)機(jī)理的研究。隨著機(jī)理研究的深入，一些對產(chǎn)物控制性更好的有機(jī)金屬催化劑系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，如茂金屬催化劑、凱明斯基催化劑等。由于化學(xué)工業(yè)本身面臨著不可忽視的安全和污染等問題，因此化學(xué)工業(yè)也在不斷努力利用化學(xué)方法為人類提供更多更新的能源，為改善人類生存條件作出新的貢獻(xiàn)。

表3 與化學(xué)工業(yè)相關(guān)的諾貝爾化學(xué)獎

3.4 化學(xué)與能源環(huán)境

隨著化學(xué)工業(yè)帶來的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，進(jìn)入新時代，環(huán)境問題和能源問題引起了研究者的廣泛關(guān)注。環(huán)境問題目前作為全球面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，需要全世界人類的共同努力，諾貝爾化學(xué)獎的變遷也體現(xiàn)了這一時代要求的變化。在1995年諾貝爾化學(xué)獎首次進(jìn)入環(huán)境領(lǐng)域，表彰了三位科學(xué)家保羅·克魯岑、馬里奧·莫利納和弗蘭克·舍伍德·羅蘭對于大氣化學(xué)的研究，特別是有關(guān)臭氧的形成和分解的研究。正是這一研究引起了世界各國對臭氧層的關(guān)注，促使國際上對保護(hù)臭氧層問題及時采取了一致的行動，從而使人類和地球上的生物有可能避免由臭氧層耗損帶來的巨大災(zāi)難。因此化學(xué)與環(huán)境密不可分，而未來化學(xué)必將發(fā)展為“綠色化學(xué)”，在減少危害的前提下，為保護(hù)環(huán)境做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

解決環(huán)境問題最有效的方式就是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)新能源，從源頭角度減少污染物的引入。能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是從事各種經(jīng)濟(jì)活動的原動力[5]。進(jìn)入新時代，新能源的出現(xiàn)引發(fā)能源變革，一系列綠色能源飛速發(fā)展。電化學(xué)儲能材料與技術(shù)是清潔能源利用、轉(zhuǎn)換和儲存的關(guān)鍵。2019年諾貝爾化學(xué)獎頒給約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆與吉野彰這三位被稱為“鋰電池之父”的科學(xué)家，以表彰他們在鋰離子電池領(lǐng)域做出的突出貢獻(xiàn)。鋰電池在現(xiàn)代社會中扮演著重要的角色，我們熟知的智能手機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品基本都由鋰電池來驅(qū)動，可以說，這三位科學(xué)家研發(fā)的鋰電池，開啟了電子設(shè)備便攜化進(jìn)程。鋰電池從1991年首次進(jìn)入市場，經(jīng)過不斷發(fā)展和技術(shù)革新，完全改變了我們的生活，可以說如果沒有體積小、重量輕、容量高、壽命長的可充電電源，不可能實現(xiàn)數(shù)字化、IT、移動等便捷生活。正是他們的科學(xué)貢獻(xiàn)，才讓我們享受到新技術(shù)給人類工作和生活帶來的便利。也使得無化石燃料的新能源結(jié)構(gòu)成為可能。

3.5 化學(xué)與功能材料

新工業(yè)、新技術(shù)和新要求促進(jìn)了新材料的開發(fā)與應(yīng)用。廣義上說，材料是具有一定性能和功能，可為人類所用的物質(zhì)。材料是人類賴以生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)[6]，人類社會的發(fā)展離不開材料，材料又推動了時代的發(fā)展，其與人類社會、環(huán)境、生存密切相關(guān)。根據(jù)化學(xué)組成的不同，材料可以分為非金屬材料，金屬材料和有機(jī)分子材料；而根據(jù)使用功能，材料可以分為復(fù)合材料、高功能材料、結(jié)構(gòu)材料和信息材料。形形色色的材料在不同領(lǐng)域發(fā)揮著不同的作用，以滿足更多的使用需求，我們也在歷年的諾貝爾化學(xué)獎中找尋到了幾類不同材料的代表(表4)。

表4 與功能材料相關(guān)的諾貝爾化學(xué)獎

1996年，美國羅伯特·科爾、英國哈羅德·沃特爾·克羅托和美國理查德·斯莫利發(fā)現(xiàn)了富勒烯，因此獲得諾貝爾化學(xué)獎。富勒烯是碳材料家族的代表，碳的化合物也已經(jīng)成為人類日常生活中不可缺少的材料之一。從尼龍、汽油、香水和塑料，到鞋油、滴滴涕和炸藥等，范圍廣泛、種類繁多，應(yīng)用領(lǐng)域更是涵蓋了催化、能源等多個領(lǐng)域。碳(carbon，也就是木炭)是最基本的化學(xué)元素。碳元素發(fā)現(xiàn)的很早，以游離元素存在的石墨和金剛石最為熟知[6]。自20世紀(jì)末開始，石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯以及石墨炔使得碳家族不斷擴(kuò)大。碳家族的不斷擴(kuò)大也豐富了碳材料的功能，優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)如光學(xué)、儲能、催化以及機(jī)械性能等使其在材料、電子、半導(dǎo)體等領(lǐng)域得以大展拳腳。

2000年諾貝爾化學(xué)獎授予了美國和日本三位科學(xué)家表彰他們發(fā)現(xiàn)和發(fā)展了導(dǎo)電聚合物。導(dǎo)電聚合物的發(fā)展使其可作為發(fā)光材料以及導(dǎo)電材料如光致發(fā)光、發(fā)光二極管、發(fā)光電氣化學(xué)電池以及激光等等，并廣泛用于彩色液晶顯示器等，可以毫不夸張地說，其影響一直延續(xù)至今，并得到了更大的擴(kuò)展。除此之外，2008年的綠色熒光蛋白，可以作為發(fā)光的遺傳標(biāo)簽，讓人類更加了解自己的疾病。2016年的分子機(jī)器，使微型“起重機(jī)”、人工“肌肉”和袖珍“馬達(dá)”等不再是天方夜譚。由此可見，化學(xué)的研究促進(jìn)了材料的發(fā)展，而材料又是社會進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，也正是由于連續(xù)不斷的開發(fā)和使用新材料才構(gòu)筑了今天的文明社會，使更多的不可能變?yōu)榭赡堋?/p>

4 未來化學(xué)的發(fā)展

以諾貝爾化學(xué)獎為線索，沿著化學(xué)學(xué)科發(fā)展的足跡，我們已經(jīng)了解到化學(xué)與我們?nèi)祟愊⑾⑾嚓P(guān)，相輔相成。同時，通過縱觀諾貝爾化學(xué)獎的時代變遷，我們可以認(rèn)識到，對于學(xué)科的推動與發(fā)展以及生命奧秘的探索將成為永恒的發(fā)展目標(biāo)。除此之外，新能源、新材料、新方法的出現(xiàn)將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學(xué)產(chǎn)業(yè)，以滿足新時代、新環(huán)境的要求。因此，作為化學(xué)人，我們不禁要思考，未來的化學(xué)將何去何從。簡單來說，我們可以把未來的化學(xué)比喻成一棵正在茁壯生長的大樹，基礎(chǔ)化學(xué)是他的根本，要沿著綠色化學(xué)這個枝干，融合多種多樣的交叉化學(xué)，讓化學(xué)之樹煥發(fā)勃勃生機(jī)(圖2)。

圖2 未來化學(xué)發(fā)展之樹示意圖

一是基礎(chǔ)化學(xué)。有人說，“化學(xué)是一門成熟的老科學(xué)”。意味著基礎(chǔ)好，起點(diǎn)高，發(fā)展慢[7]，但是執(zhí)著于化學(xué)學(xué)科的科研工作者心中都明白，以四大化學(xué)為根本的基礎(chǔ)化學(xué)，也就是基本的化學(xué)現(xiàn)象、化學(xué)理論、化學(xué)物質(zhì)還有著許許多多的未解之謎。一個化學(xué)鍵、一個化學(xué)反應(yīng)都會帶來翻天覆地的變化。為何氮?dú)夂蜌錃馍砂睔庖粋€簡單的化學(xué)反應(yīng)方程式可以獲得三次諾貝爾化學(xué)獎，這就是化學(xué)變化的魅力，是研究不斷深入的結(jié)果?；A(chǔ)化學(xué)還需要科研工作者義無反顧地堅持下去，這是化學(xué)發(fā)展的根本。

二是綠色化學(xué)，其實這個概念早已被美國化學(xué)會提出，大家的研究理念有了創(chuàng)新與發(fā)展，但是與實際應(yīng)用之間還有很長的一段道路，目前還不能完全避免一部分化學(xué)物質(zhì)對人類健康和環(huán)境造成的危害。從綠色化學(xué)的概念看，是指被用來防止污染的一種科學(xué)方法。它想要實現(xiàn)的目標(biāo)是通過一系列原則和手段，來減少或消除設(shè)計、制作和使用化學(xué)品時產(chǎn)生的有害物質(zhì)[8]。綠色化學(xué)更多的是作為一種理念，已經(jīng)成為化學(xué)學(xué)科未來發(fā)展的準(zhǔn)則。

三是交叉化學(xué)?；瘜W(xué)是一門社會迫切需要的中心學(xué)科，在21世紀(jì)，化學(xué)更是與信息、生命、材料、環(huán)境、能源、地球、空間和核科學(xué)等八大新興學(xué)科有著緊密的聯(lián)系、交叉和滲透[7]。生物化學(xué)、能源化學(xué)、固體化學(xué)等以化學(xué)為中心的交叉學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生，這也符合時代特點(diǎn)。交叉學(xué)科的優(yōu)勢在于結(jié)合多學(xué)科的理念、多學(xué)科的實驗方法、多學(xué)科的理論基礎(chǔ)，創(chuàng)造新理論，新發(fā)明和新的工程技術(shù)。未來，交叉學(xué)科將向更深、更高、更遠(yuǎn)的方向發(fā)展。

5 結(jié)語

化學(xué)是人類生存的基礎(chǔ)。無論是化學(xué)與能源、化學(xué)合成材料、營養(yǎng)物質(zhì)等，都與化學(xué)有著密不可分的關(guān)系。恩格斯曾經(jīng)說過：“化學(xué)既是關(guān)于自然的科學(xué)，又是關(guān)于人的科學(xué)。在當(dāng)代科學(xué)的發(fā)展趨勢中，它們正在走向統(tǒng)一。因此，化學(xué)不僅僅是認(rèn)識生命與進(jìn)化的手段，也是人類生存和獲得解放的手段?！蔽覀円J(rèn)識到化學(xué)學(xué)科的重要性，利用好化學(xué)學(xué)科這一重要工具，選擇可持續(xù)發(fā)展之路，不斷促進(jìn)人類社會的繁榮與發(fā)展，