中国化学研究：转型中重塑化学内生动力
我国科学家首次从实验上探测到临界冰核，研究结果在《自然》上发表。
■本报记者 甘晓 实习生 刘心元
2019年，是中国化学研究的“丰收”年，也是“转型”年。与其他学科相比，中国化学研究已迈进世界“第一梯队”，也在诸多领域实现“领跑”。在化学学科转型的当下，中国化学研究者在化学与物理学科交叉、化学各个二级学科之间的交叉方面取得优异成绩，为重塑化学学科的内生动力探索了新的道路。
12月18日，中国科学院化学研究所研究员王健君等课题组在《自然》上发表论文引发科技界关注。这是今年中国化学研究者在《细胞》《自然》《科学》（CNS）顶级期刊发表的第12篇论文。这一数字保持了近3年以来的一贯水平。
近年来，化学这门古老的学科正在受到“工具化”的冲击。化学未来如何发展，成为全世界化学家关心的重大命题。
“2019年，中国化学家以重组后的‘合成化学’等领域为中心开展的工作渐入佳境，为重塑化学学科提供了内生动力。”国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）化学部常务副主任陈拥军告诉《中国科学报》。
转型中的化学学科
历经百年，化学学科建立了完备的学科体系，发展出无机、有机、物化、分析、高分子等多个二级学科。但是，近几年来，化学家们越来越感觉到，作为一门科学的化学正面临严峻挑战。
陈拥军指出：“化学逐渐呈现出被工具化的倾向，其发展越来越依靠其他学科的需求牵引，内在发展缺乏动力。”今年7月，中国科学院院士朱道本在接受《中国科学报》采访时也提到：“好的应用固然重要，但我们仍然应当坚持化学是一门科学。”
毫无疑问，化学学科走到了转型的十字路口。2016年，以“转型中的中国化学”为主题的第30届中国化学年会召开。会上，中国化学家聚焦“发挥中心科学作用”“推动交叉融合”等话题，谋划化学学科转型的未来。
2017年底，自然科学基金委化学部重组了学科资助代码体系；2018年起，资助方向变化为8个新领域，包括合成化学、催化与表界面化学、化学理论与机制、化学测量学、材料与能源化学、环境化学科学、化学生物学、化学工程与工业化学等。
作为资助基础研究的主渠道，自然科学基金委的举动往往具有牵一发而动全身的效果。对中国化学界而言，学科资助代码体系的调整如同引发蝴蝶效应的翅膀已经扇动。
渐入佳境的“合成化学”
在新的8个资助方向中，“合成化学”取代了无机化学、有机化学、高分子化学等3个传统的二级学科。“目的是鼓励化学工作者跨越学科边界，打破常规，相互促进，彼此借鉴。”陈拥军表示。
2019年，一批突出的研究成果表明，“合成化学”已渐入佳境——
10月17日，浙江大学化学系教授唐睿康团队在《自然》上发表的一项成果，跨越了无机化学与高分子化学的界限。研究人员通过借鉴高分子聚合的概念指导无机材料制备，提出了无机离子聚合反应的新概念，利用无机离子寡聚体的聚合与交联实现复杂形貌材料的连续结构制备，为材料制备提供了一条新途径。
另一项代表性成果来自南昌大学和东南大学教授熊仁根团队。他们利用相似相容原理，构筑了新的分子钙钛矿固溶体，其压电系数超越了无机陶瓷固溶体锆钛酸铅。这项成果反映了无机合成与有机化学的融合。相关研究成果于2019年3月15日在《科学》上发表。
中国科学院上海有机化学研究所有机氟化学重点实验室研究员董佳家课题组则致力于有机合成与药物发现以及化学生物学的融合。他们在寻找新反应的过程中，意外发现一种安全、高效合成、罕见的硫氟类无机化合物“氟磺酰基叠氮”的方法。他们同时发现该化合物对于一级胺类化合物有极高的重氮转移反应活性和选择性。这项成果于2019年10月2日在《自然》上发表，并在不久前被该杂志评为今年十大科学进展。
在研究者看来，这些标志性成果展现出“合成化学”作为融合的科学领域对重塑化学内生动力的重要意义。“未来，以‘合成化学’等学科领域为抓手的学科交叉融合将是化学学科的发展趋势。”陈拥军强调。
为转型中的化学学科摆脱工具化倾向、重塑其内生动力，除了合成化学外，另一个着力点在分析化学的改革。在自然科学基金委的学科代码调整中，分析化学和谱学一起“转型升级”为化学测量学。
中国化学家们看到，如果说化学越来越具有工具性，那么分析化学长期以来在化学学科中又是工具的工具。“新工具即新科学”这一理念已深入化学家心中。他们相信，发展新的科学工具本身可以成为目的，而不仅是开展其他研究工作的手段。
“新的化学测量方法的发展对于推动化学学科的发展很重要。针对更复杂的体系、更微量的样品以及化学动态过程，我们需要发展更精准、更灵敏、更快速的测量方法和仪器，这样才能更好地推动我国化学学科的内生发展。”中国科学院院士、自然科学基金委化学部主任杨学明指出。
他看到，过去一年里，我国在化学测量学方面取得了长足进展，新的科学仪器和测量方法不断涌现，也为我国化学研究领域培养了一支优秀的仪器研发队伍。
此外，融合传统无机化学、有机化学和高分子化学等相关材料、能源、化学内容而新设立的“材料化学与能源化学”领域，则拓展了化学科学作为创造新物质的中心科学，在面向重大科学前沿和国家重大需求方面发挥重要支撑作用。
高度交叉的分子科学
2019年，以分子科学为基础和核心重塑化学的内生动力，成为中国化学家开辟的一条新路径。
朱道本告诉《中国科学报》，分子科学主要研究物质的组成与结构、反应与机制、性质与功能。“我们应当清楚地认识到，分子科学是与材料、生命、信息、环境、能源等领域相互交叉、渗透的一个中心科学。”他强调。
其中，和物理科学的交叉，可以解决分子及分子以上层次化学键精准重组问题，以及结构与性质的关系等问题。而这正是化学最基本的内涵，将为分子科学注入强劲动力。材料、生命、信息、能源等对化学提出的物质、方法、技术等方面的需求，则被认为是这一学科的外在发展动力。
12月18日，王健君与中国科学院大学教授周昕等学者在《自然》发表的研究中，用表面相对稳定的氧化石墨烯制备了一系列纳米材料，研究了不同尺寸氧化石墨烯在不同温度时结冰的情况，证实了吉布斯提出相变“经典成核理论”中临界冰核的存在。
在王健君看来，这项研究将物理与化学学科深度交叉，对水结冰这一重要相变现象的微观机制的理解，也能为实现人为控冰应用方面提供重要理论指引。
2019年10月，香山科学会议第663次学术讨论会聚焦“功能π-体系分子材料前沿与创新”。会议上，分子科学研究前沿领域得到进一步聚焦，智能化学与技术、分子材料与器件、绿色碳科学与激发态化学、表界面与软物质科学、生命过程的分子基础被认为是分子科学的六大发展方向。
为解决这些领域中的关键科学问题，与物理学深度交叉渗透的分子电子学备受关注。
“未来，应重视赋予‘老体系’以‘新内涵’，布局研究有机拓扑绝缘体、有机热电、有机超导等新方向，以此推动有机电子工业形成与发展。”朱道本指出，“21世纪的化学，将呈现多元化和高度交叉的发展趋势，中国学者应充分把握好分子电子学领域自主创新的机遇，为化学科学注入新的发展动力。”
《中国科学报》 (2019-12-27 第1版 要闻)
