是什么让我们开始喜欢化学？张希院士：化学是充满创造之美的学科

2017-12-17 化学加

综合 | 中国化学会编辑 | 化学加

导读

是什么让我们开始喜欢化学，并持续热爱至今？关于这个问题，大家可能会给出不同的答案。近日清华大学化学系教授张希院士在第31届中国化学奥林匹克（决赛）暨冬令营上的讲话给出了他不同的答案，一起来听听。

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张希院士在第31届中国化学奥林匹克（决赛）暨冬令营上的讲话

张希
清华大学化学系教授中国科学院院士
中国化学会副理事长

各位同学、老师、来宾，大家好！
首先，我代表中国化学会，向第31届全国化学竞赛的获奖同学们们表示热烈的祝贺！向培养你们的中学化学老师们致以崇高的敬意！感谢各省市化学会对中国化学会的大力支持和配合! 感谢深圳市科学技术协会、南方科技大学、深圳市化学化工学会为此次冬令营顺利召开所做的巨大努力和贡献! 感谢陶氏化学（中国）投资有限公司对此次活动的赞助支持!
今年是我连续第九次来到全国化学冬令营，每一次到来，我都欣喜地感受到，同学们对化学充满了兴趣和激情。在这里，我想请同学们和我一起回忆：是什么让我们开始喜欢化学，并持续热爱至今？关于这个问题，大家可能会给出不同的答案。
我的答案是，化学是充满创造之美的学科。创造是化学的独特魅力，更是化学的终极追求。纵观化学的发展史，就是创造新分子和构建新物质的历史。化学家发挥天马行空的想象，施展出神入化的创造，构筑成今天这美轮美奂的世界。
化学的创造之美可以反映在概念之美、结构之美和功能之美。
概念创新是科学研究的圣杯。改写旧概念或创造新概念会带来研究上的突破，引领一个方向的发展。比如说，在有机发光领域，大多数荧光分子都具有典型的聚集淬灭效应，分子浓度越高，聚集程度越大，发光能力则越弱。
2001年，唐本忠院士首次在国际上提出“聚集诱导发光”的概念。他们基于理性的结构设计，通过聚集抑制分子内化学键的自由旋转或振动，从而减少激发态能量的损失，实现了分子在聚集态的高效发光。这一概念开创了有机光电材料的新方向，并在有机电致发光、高灵敏度检测、生物成像等方面展现出广阔的应用前景。
物质结构是化学的核心之一。关于结构之美，相信大家能够想到很多，比如碳的各类同素异形体，从天然存在的石墨和金刚石，到人工合成的C60、碳纳米管、石墨烯等等，都具有高度对称的完美结构。那么，在此基础上，我们是否还能创造出新的具有结构之美的碳材料呢？答案是肯定的。
▲二维碳石墨炔的结构模型
2010年，李玉良院士首次通过化学合成的方法制备得到了石墨炔。如果说石墨烯是一片由sp²杂化的碳原子连成的海洋，那么石墨炔就是sp与sp²碳原子交织而成的新大陆。同样是规整的片层结构，石墨炔呈现出更为独特的二维排列方式，提供了更丰富的晶格结构和能带结构，使其有望成为新型的半导体材料和能源材料。
结构决定性质，性质衍生功能。化学家致力于缔造人工的自然界，不仅为了展现结构之美，更是为了创造功能之美。作为新能源的重要发展方向之一，有机太阳能电池可以利用太阳光来发电，因而备受瞩目，相关研究十分活跃。在全世界的共同努力下，有机太阳能电池的光电转换效率不断攀升。
具有11%效率的非富勒烯型聚合物太阳电池结构与效率验证报告
特别是近年来，中国化学工作者通过协作和合作，引领着非富勒烯聚合物太阳能电池的发展。他们结合分子结构的优化、微观形貌的调控以及加工工艺的完善，短短几年时间，已经将光电转换效率从4%提高至14%，创造了这一方向的世界纪录。
概念之美，结构之美，功能之美，都是创造之美。我期待同学们，在不久的将来，不仅懂得欣赏化学之美，还能创造出全新的化学之美，为之增添更绚丽的光辉。
化学不只出现在书本上，也不仅停留在实验室里，更与我们的社会和生活息息相关。大到国民经济的支柱产业，小到日常生活的衣食住行，化学始终与我们相伴。
前不久，全球第二大安全气囊生产商，日本高田公司宣告破产，在行业内引起了巨大的震动。安全气囊的作用原理相信大家并不陌生，高田气囊使用硝酸铵作为化学推进剂，利用硝酸铵在撞击下产生气体，使气囊弹出，对人体进行缓冲和保护。
值得注意的是，在高温和潮湿的环境下，硝酸铵很容易发生老化，从片剂碎裂成粉末。一旦受到猛烈撞击，硝酸铵粉末的引爆将会比片剂更加剧烈，从而导致原本设计的可控爆炸变成真正的爆炸，爆炸产生的金属碎片会对驾驶员造成严重的伤害。由此可见，高田公司使用硝酸铵作为安全气囊的成分是不严谨、不可靠的；而没有添加干燥剂对其进行保护，更是重大的技术失误，进一步酿成了致命的安全隐患。
从2008年开始，世界各地先后出现了近200起高田气囊引发的人员伤亡事故。为此，高田公司不仅支付了巨额的经济赔偿，同时蒙受了信誉上的重大损失。在这双重影响下，终于难以为继，以致破产。这一事件发人深省，它不仅生动地诠释了化学原理的重要性，更深刻地反映出：在化学的世界里，细节常常会决定成败。严谨是科学工作者必备的素质之一。
同学们，当前的化学已经进入新的发展阶段，传统化学学科的界限越来越模糊，化学与其他学科间的联系也越来越紧密。一些新兴学科，如超分子化学、纳米化学和化学生物学已经应运而生，并蓬勃发展。化学不再只是实验科学，实验、理论和计算成为了化学发展的三大支柱。同时，化学也在走向精准化，从精准合成，精准组装，精准检测，到精准计算。此外，化学与化工在重新交叉和融合，为绿色和可持续发展提供科技保障。这些变化趋势告诉我们：未来的化学人才，不仅要有扎实的基础，还要有宽广的视野；不仅要善于利用化学的专长解决其他领域难以解决的问题，还要善于吸收其他学科的营养来丰富化学的内涵，拓展化学的外延。
关于如何实现绿色和可持续发展，这需要政治家的智慧，还需要化学工作者承担应有的责任，做出不可替代的贡献。化学工作者正在不断尝试，发明温和、高效的新型化学反应。温和不仅意味着安全，也有利于能耗的降低；高效则能够减少排放，促进原料的充分利用。除了从源头上减少和消除污染，化学工作者针对现存的污染问题，也在努力提供解决问题的方法和技术。例如塑料的白色污染，回收并循环利用是一个不错的办法。为此，国内外的化学工作者都在致力于发展新的催化体系，在降解废旧聚乙烯塑料的同时，将其转化成有用的柴油，实现高附加值的再利用。可见，创造新的化学，并善用化学，既能减少浪费，也能变废为宝。
师法自然，并超越自然，是化学工作者的夙愿。近年来，人工光分解水制氢逐渐成为了国内外的研究热点。从认识天然氢化酶的结构和性质开始，化学工作者尝试构建了多种高效的人工模拟酶系统，通过光解水制氢，达到太阳能转化为化学能的目的。光分解水产氢效率的纪录不断刷新，最高的效率已经达到天然氢化酶的一万余倍。不难预见，进一步优化人工氢化酶体系，提高能量转化效率，改善材料的稳定性及寿命，将产氢和产氧相结合，无疑是可持续发展的一条重要途径。
同学们，在刚刚落幕的党的十九大上，习总书记发出了“加快建设创新型国家”的指示，明确要求强化基础研究，加强应用研究，突破各种关键技术，建设科技强国。着力培养创新人才和创新团队，营造创新文化氛围，是实现创新型国家的关键。同学们生逢其时，责任重大。希望你们保持热情，专注科学，发现和创造更多的化学之美，用化学回馈社会，造福国家，惠及世界。
谢谢大家！