科学家提出21世纪的四大化学难题.docx

科学家提出 21 世纪的四大化学难题到了 21 世纪，数学界、物理学界和生物学界都相继提出了各自领域的重大难题或奋斗目标但在化学界，一直没有人明确提出哪些是化学要解决的世纪难题 　　 近年来，在世界范围内出现了淡化化学的思潮那么化学界果真提不出重大难题吗？有人对这一问题，提出 21 世纪的四大化学难题供大家一起探讨 　　 如何建立精确有效而又普遍适用的化学反应的含时多体量子理论和统计理论？ 化学是研究化学变化的科学，所以化学反应理论和定律是化学的第一根本规律应该说，目前的一些理论方法对描述复杂化学体系还有困难 　　 因此，建立严格彻底的微观化学反应理论，既要从初始原理出发，又要巧妙地采取近似方法，使之能解决实际问题，包括决定某两个或几个分子之间能否发生化学反应？能否生成预期的分子？需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应？如何在理论指导下控制化学反应？如何计算化学反应的速率？如何确定化学反应的途径等，是 21 世纪化学应该解决的第一个难题 对于这一世纪难题，应予首先研究的课题有：(1)充分了解若干个重要的典型的化学反应的机理，以便设计最好的催化剂，实现在最温和的条件进行反应，控制反应的方向和手性，发现新的反应类型， 新的反应试剂。

2)在搞清楚光合作用和生物固氮机理的基础上，设计催化剂和反应途径，以便打断 CO2, N2 等稳定分子中的惰性化学键3)研究其它各种酶催化反应的机理酶对化学反应的加速可达 100 亿倍，专一性达 100%如何模拟天然酶，制造人工催化剂，是化学家面临的重大难题4)充分了解分子的电子、振动、转动能级，用特定频率的光脉冲来打断选定的化学键—— 选键化学的理论和实验技术 　　 如何确立结构和性能的定量关系？ 这里“结构” 和“性能”是广义的，前者包含构型、构象、手性、粒度、形状和形貌等，后者包含物理、化学和功能性质以及生物和生理活性等这是 21 世纪化学的第二个重大理论难题 　　 要优先研究的课题有：(1)分子和分子间的非共价键的相互作用的本质和规律2)超分子结构的类型，生成和调控的规律3)给体- 受体作用原理4)进一步完善原子价和化学键理论，特别是无机化学中的共价问题5)生物大分子的一级结构如何决定高级结构？高级结构又如何决定生物和生理活性？(6)分子自由基的稳定性和结构的关系7)掺杂晶体的结构和性能的关系8)各种维数的空腔结构和复杂分子体系的构筑原理和规律9)如何设计合成具有人们期望的某种性能的材料？(10)如何使宏观材料达到微观化学键的强度？例如“ 金属胡须” 的抗拉强度比通常的金属丝大一个量级，但还远未达到金属-金属键的强度，所以增加金属材料强度的潜力是很大的。

以上各方面是化学的第二根本问题，其迫切性可能比第一问题更大，因为它是解决分子设计和实用问题的关键 　　 如何揭示生命现象的化学机理？ 　　 　　充分认识和彻底了解人类和生物的生命运动的化学机理，无疑是 21 世纪化学亟待解决的重大难题之一 　　 例如：(1)研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理，这是药物设计的基础2)化学遗传学为哈佛大学化学教授 Schreiber 所创建他的小组合成某些小分子，使之与蛋白质结合，并改变蛋白质的功能，例如使某些蛋白酶的功能关闭这些方法使得研究者们不通过改变产生某一蛋白质的基因密码就可以研究它们的功能，为开创化学蛋白质组学，化学基因组学(与生物学家以改变基因密码来研究的方法不同) 奠定基础3)搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理，为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础4)人类的大脑是用“泛分子”组装成的最精巧的计算机如何彻底了解大脑的结构和功能将是 21 世纪的脑科学、生物学、化学、物理学、信息和认知科学等交叉学科共同来解决的难题5)了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理6)了解从化学进化到手性和生命起源的飞跃过程。

7)如何实现从生物分子(biomolecules)到分子生命(molecular life)的飞跃？如何制造活的分子(Make life)，跨越从化学进化到生物进化的鸿沟8) 研究复杂、开放、非平衡的生命系统的热力学，耗散和混沌状态，分形现象等非线形科学问题 　　 如何揭示纳米尺度的基本规律 　　 纳米分子和材料的结构与性能关系的基本规律是 21 世纪的化学和物理需要解决的重大难题之一 　　 现在中美日等国都把纳米科学技术定为优先发展的国家目标钱学森先生说，继信息科学之后，纳米科学技术可能引起新一轮的产业革命在复杂性科学和物质多样性研究中，尺度效应至关重要 尺度的不同，常常引起主要相互作用力的不同，导致物质性能及其运动规律和原理的质的区别纳米尺度体系的热力学性质，包括相变和“集体现象 ”如铁磁性，铁电性，超导性和熔点等与粒子尺度有重要的关系当尺度在十分之几到 10 纳米的量级，正处于量子尺度和经典尺度的模糊边界中，此时热运动的涨落和布朗运动将起重要的作用例如金的熔点为 1063℃，纳米金(5-10nm)的融化温度却降至 330℃银的熔点为 960.3℃，而纳米银(5-10nm)为 100℃。

　　 四大难题破解后的美好前景 　　 经过 50-100 年的努力，如果解决了我这里提出的化学四大难题，不难设想我们美好的远景： 　　 (1)在解决第一和第三难题，充分了解光合作用、固氮作用机理和催化理论的基础上，我们可以期望实现农业的工业化，在工厂中生产粮食和蛋白质，大大缩减宝贵的耕地面积，使地球能养活人口的数目成倍增加 　　 (2)在解决第二和第四难题的基础上，我们可以期望得到比现在性能最好的合金钢材强度大十倍，但重量轻几倍的合成材料，使城市建筑和桥梁建设的面貌完全更新 　　 (3)在充分了解结构与性能关系的基础上，我们能合成出高效、稳定、廉价的太阳能光电转化材料，组装成器件太阳投射到地球上的能量，是当前全世界能耗的一万倍如果光电转化效率为 10%，我们只要利用 0.1%的太阳能，就能满足当前全世界能源的需要4)未来的化工企业将是绿色的，　　 (5)在合成了廉价的可再生的储氢材料和能转换材料的基础上，街上行走的汽车将全部是零排放的电动汽车我们穿的将是空调衣服 　　(6)海水淡化将成为重要工业，从而解决人类生存最严重的挑战----淡水资源紧缺问题零排放的，原子经济的，物质在内部循环的企业。

当前世界四大科学难题 2009-03-20 16:56 当前世界四大科学难题当前世界上有四个最大的科学难题，全球各专业的科学家都在设法揭开大自然的这些秘密，如能解开这些谜团，那么人类的生活以及对世界的看法将发生根本的变化 一、人体基因结构 人的基因存储在一个螺旋形的大分子中现在科学家希望能准确地知道在哪一种基因中存储哪些信息，因为每种基因由约 3 万个信息构成，要一个一个地检查，现在才查明约10 万种基因中的 100 种日前，科学家们已解出一个志愿者的全部基因密码，如能揭开全部基因的秘密，那么由于基因受损而引起的癌症、糖尿病以及其它迄今已知的 4000 多种遗传疾病都可以通过修复基因来根治 二、宇宙中的黑暗物质 根据新的计算，宇宙间存在的物质比现在天文学家看见的要多九倍，宇宙爆炸论才能成立然而这些物质在哪里，是什么成分，是否还能发现大量的黑暗物质，完全是个未知数 三、受控核聚变 用 7 克氢核燃料能够产生 6 吨煤的能量，而且氢核燃料是从水中提取的，用之不尽，对人类和环境的危害也只是现在能源的 1%现在理论问题虽然解决了，实际问题还没解决氢核聚变的前提是 1 亿度高温，如何建造能承受如此高温的熔炉。

四、生命起源 美国科学家米勒仿造出 40 亿年前地球上的条件，结果在此条件下产生出氨基酸 ---生命的组成部分但是如何演变成生命仍然是个谜，现在计算机科学家编制出人工生物的程序，在计算机世界中观察“生命” 起源，他们认为，这是理解生命结构的第一步，未来的目标要模拟出生命的形成当今世界十大医学难题1. 骨头缺血性坏死 [ 股骨头缺血性坏死属国际骨科三大疑难病症之一该病常由临床上长期使用激素、创伤和饮酒等原因引起.] 2.乙肝[乙肝是一种严重疾病，主要由侵害肝脏的乙肝病毒引起，这种病毒会导致人终生感染，出现肝硬化、肝癌，并引起死亡.] 3.尿毒症{ 肾病}[ 高血压病人中的 15%会直接转为尿毒症,肾病也是尿毒症的主要原因，所有慢性肾脏疾病的最终结局都将是尿毒症.] 4.暴发性肝衰（ FHF） 5.烧伤病[被世界卫生组织确定为世界医学界十大疑难病症之一.] 6.癌症.[ 不细说了!!!!!] 7.供体器官短缺[世界医生正在研究人体器官移植,细胞移植等.] 8.股骨头坏死 [患者一旦患病就丧失了劳动能力和生活自理能力,所以俗称“ 亚癌”, 其理想的治疗方法目前还是世界医学界探求的难题之一世界医学界至今仍素手无策的十大医学难题1.脑袋爆炸症脑袋爆炸症 脑袋爆炸症的患者有时会经历来自他或者她自己头部的可怕噪音，这种声音常被描述为一种爆炸、咆哮、拍打礁石的巨浪声、很大的声音或者很响的噪音。

这种声音常发生于睡下的 1、2 小时之内，但不是做梦的结果，醒着的时候也可能发生患者感觉到一种非常响亮的声音，这种声音通常不伴随疼痛随时间的推移，疾病的发生频率似乎会发生改变，从数天或者数周数次发作逐渐成为数月发作疾病发作后患者经常会感到恐怖和焦虑，心率也会跟着加大脑袋爆炸症的原因一直是个谜，虽然有一些医生报告说，这种疾病与紧张或者极度疲劳有关这种疾病在一生中可能随时发作，女人比男人更容易患病2. 汗热病汗热病 汗热病是曾出现英国，后蔓延至欧洲的神秘而致命的流行疾病第一次爆发于1485 年，最后一次爆发于 1551 年，之后似乎消失了这种疾病的发作短暂而迅猛，能在数小时之内造成死亡而疾病原因是这种病最神秘的地方过去和现在的很多评论家认为当时的垃圾和污水是罪魁祸首，因为它们可能藏匿传染源玫瑰战争结束时汗热病的第一次爆发意味着这种疾病可能是通过法国佣兵从法国带来这些佣兵是亨利八世用来获得英国王位的法宝，尤其是这些人似乎对汗热病具有免疫力而这种疾病似乎在富人中比在穷人中更为流行的事实暗示了与当时的其他疾病相比这种疾病更引人关注的原因3.秘鲁陨星病秘鲁陨星病 这种疾病出现在 2007 年 9 月 15 日卡兰卡斯陨星降落后。

一颗巨大的陨星坠落在秘鲁小镇卡兰卡斯附近，紧邻玻利维亚边界和的的喀喀湖畔这一坠落砸出一个大坑，烧焦了周围的土地当地人马克·利马奇说：“沸腾的水开始溢出陨石坑，人们在陨石附近发现了小石头粒和灰烬坑里发出恶臭而有毒的气体 ”发生坠落后，走近陨石坑的村民们感到很不舒服，后来又患上了无法解释的疾病，出现包括呕吐在内的很多症状也有人认为可能这些病症可能是砷中毒导致，当地水中的砷因遇到炽热陨星而蒸发，但是，造成这种神秘而短暂疾病的成因至今没有科学证据4 点头病　　 点头病 这种疾病非常罕见儿童一旦患上了这种疾病，他或者她的发育似乎完全和永久性受阻大脑发育也受到阻碍，造成患者智力缺陷因为疾病导致患者病理性点头所以这种疾病被叫做点头病当患者开始吃东西或者感觉到冷的时候就会犯病这些情况一出现患者马上就开始点头但是发病时间短暂，在儿童停止吃东西或者再次感到暖和的时候抽搐就会停止只是，这种病非常特殊，因为患者在吃不熟悉的食品如棒棒糖时似乎不会引起犯病严重的抽搐可能会导致儿童訇然倒地，造成进一步伤害5. 电磁波敏感症电磁波敏感症 电磁波敏感症是一些患者经历他们认为是因为接触电磁磁场而导致的医学问题虽然电磁磁场对人体的影响已经确定，但是，电磁波敏感症患者报告，他们在低于电磁安全标准值的磁场下对电磁辐射有反应。

大多数实验发现，电磁波敏感症患者无法区别他们是否暴露在真正的电磁场还是虚假的电磁场尽管个别称是电磁波敏感症的患者。