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過(guò)去，人們通常把化學(xué)分為“四大化學(xué)”，也就是有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)和分析化學(xué)。而現(xiàn)如今，化學(xué)在更多交叉前沿領(lǐng)域有了更多發(fā)展的空間。

2015年，哈佛大學(xué)化學(xué)家喬治·M. 懷特塞茲（George M. Whitesides）在頂級(jí)化學(xué)期刊《應(yīng)用化學(xué)》上發(fā)表文章Reinventing Chemistry（重塑化學(xué)），闡述了他對(duì)未來(lái)化學(xué)發(fā)展的理解。懷特塞茲寫道：

“化學(xué)現(xiàn)在面臨著各種各樣的機(jī)會(huì)和對(duì)社會(huì)的義務(wù)。（化學(xué)）科學(xué)一直在研究原子、鍵、分子和反應(yīng)。那么50年后呢？它還會(huì)是對(duì)分子及其行為的研究嗎？又或者，它會(huì)涉及包含分子的復(fù)雜系統(tǒng)，包括材料科學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、城市管理等等，成為任何形式的‘化學(xué)’？對(duì)任何化學(xué)領(lǐng)域的簡(jiǎn)單定義，或者至少是簡(jiǎn)單如‘原子、分子和反應(yīng)’這樣的定義，似乎都不再適合化學(xué)的潛力，以及它對(duì)社會(huì)的義務(wù)，還有它所面臨的挑戰(zhàn)的復(fù)雜性?！?/p>

懷特塞茲在文中列舉并詳細(xì)討論了二十多個(gè)未來(lái)發(fā)展方向的問題，在此摘選總結(jié)了一些化學(xué)中具有代表性的交叉領(lǐng)域，化學(xué)與其他學(xué)科在這些領(lǐng)域中融合發(fā)展。從中，或許可以窺探未來(lái)化學(xué)的一隅。

生物化學(xué)是近年來(lái)最熱門、發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一，它涉及的范圍非常廣泛，從理解生命的機(jī)制，到了解疾病，甚至延伸到公共健康等領(lǐng)域。在更微觀的層面上，生命也可以理解為分子化學(xué)的一種表現(xiàn)形式，它是分子、催化劑和反應(yīng)構(gòu)成的驚人的網(wǎng)絡(luò)。它其實(shí)同樣是一種我們不甚理解的“化學(xué)”。

從另一種意義上來(lái)說(shuō)，生命其實(shí)也可以說(shuō)是“起源于化學(xué)”。在前生命時(shí)代的混亂地球上，一些簡(jiǎn)單而基本的化學(xué)小分子逐漸構(gòu)成了更復(fù)雜的“部件”，慢慢發(fā)展出了紛繁的生物世界。我們對(duì)這個(gè)神秘的過(guò)程知之甚少，它同樣吸引著一批又一批科學(xué)家深入探究。

想到生命的本質(zhì)其實(shí)只是分子的行為，似乎總會(huì)有些令人不安。但或許更驚人的事實(shí)是，人類的思想其實(shí)同樣如此。在大腦中存在著許多更為細(xì)節(jié)、也更加引人入勝的生化問題，比如神經(jīng)遞質(zhì)、受體、蛋白質(zhì)合成和跨膜電化學(xué)等等，在化學(xué)、生物學(xué)以及物理學(xué)的交界處，甚至還有一些更為深入的問題，比如感知和自我意識(shí)的基礎(chǔ)。在神經(jīng)生物學(xué)的研究中，神經(jīng)生物化學(xué)占據(jù)了非常重要的一部分。

雖然我們可能很難直觀感受到，但我們的地球家園從來(lái)不是一個(gè)靜止的星球。地球與太陽(yáng)系的開端可以追溯到46億年前，這個(gè)數(shù)字就是我們通過(guò)化學(xué)元素隨時(shí)間變化的規(guī)律而探測(cè)出來(lái)的。地球化學(xué)的研究對(duì)理解地球組成，及其形成和演化等方面做出了關(guān)鍵的貢獻(xiàn)。我們腳下的每一塊巖石、每一寸土地，都帶著許多歷史的故事。還有一些情況下，地球化學(xué)的領(lǐng)域會(huì)跨越地球之外，延伸至整個(gè)太陽(yáng)系。

地球的大氣層與生命息息相關(guān)，大氣的化學(xué)組成會(huì)受到自然過(guò)程的影響（比如劇烈的火山噴發(fā)）以及人類活動(dòng)的影響（比如溫室氣體水平、臭氧層的破壞等等）。隨著系外行星的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家也開始將眼光從地球移到了其他星球上。在系外行星探測(cè)的過(guò)程中，人們同樣借助對(duì)行星大氣的特定分子的探測(cè)，來(lái)推測(cè)系外行星環(huán)境以及系外生命存在的可能性。

懷特塞茲教授還特別提到了有關(guān)大氣系統(tǒng)的另一個(gè)獨(dú)特之處?；瘜W(xué)一直傾向于研究處于熱力平衡，或者向熱力平衡移動(dòng)的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)看起來(lái)已經(jīng)很復(fù)雜 ，但我們周圍最有趣的系統(tǒng)還不止這些。還有一類系統(tǒng)是“耗散”的，也就是說(shuō)，它們的特點(diǎn)和最有趣的特征只有在能量通過(guò)時(shí)才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，大氣、海洋、代謝等都屬于這類“耗散”系統(tǒng)。研究耗散系統(tǒng)幾十年來(lái)一直是物理學(xué)研究的主題之一，但與平衡系統(tǒng)不同的是，我們對(duì)耗散系統(tǒng)的理論與經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)都還非常淺薄。

隕石是宇宙化學(xué)研究中最關(guān)鍵的“證人”和工具之一，這些天外來(lái)客身上往往帶有非常關(guān)鍵的信息，不少隕石的年齡甚至和太陽(yáng)系的年齡相當(dāng)，它們能提供來(lái)自早期太陽(yáng)星云的秘密，這對(duì)我們理解早期太陽(yáng)系演化非常具有幫助。隨著越來(lái)越多隕石樣本的出現(xiàn)，以及越來(lái)越精細(xì)的探測(cè)，人們?cè)陔E石中甚至發(fā)現(xiàn)了許多出乎意料的分子，水的起源甚至生命起源，或許都有望從隕石中獲得答案。

有研究顯示，自2010年起，F(xiàn)DA批準(zhǔn)的新藥數(shù)量出現(xiàn)了顯著增長(zhǎng)。我們?cè)僖矡o(wú)法寄希望于偶然發(fā)現(xiàn)某種藥來(lái)滿足我們對(duì)藥物的需求了。藥物化學(xué)的背后，其實(shí)包含了對(duì)生物與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的綜合理解，它不僅需要對(duì)疾病、代謝等方面有足夠的認(rèn)識(shí)，還要設(shè)計(jì)的化學(xué)物質(zhì)有足夠的了解。

近幾十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和基因組學(xué)的發(fā)展，合理藥物設(shè)計(jì)（rational drug design）也成了一個(gè)經(jīng)常被討論的話題。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這可以理解成一種基于結(jié)構(gòu)的更精準(zhǔn)的藥物設(shè)計(jì)，它從基因（組）出發(fā)，針對(duì)藥物作用的精確位置來(lái)尋找和設(shè)計(jì)藥物分子。

我們對(duì)DDT被禁用的故事應(yīng)該都耳熟能詳。20世紀(jì)上半葉，人們發(fā)現(xiàn)DDT可以作為一種有效的殺蟲劑快速殺害害蟲，它因此被作為一種農(nóng)藥廣泛使用。但后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，這種物質(zhì)在自然界分成難以分解，會(huì)在動(dòng)物體內(nèi)累積，對(duì)生態(tài)造成非常不利的影響。因此從20世紀(jì)70年代起，許多地區(qū)開始逐漸禁止這種物質(zhì)的使用。

這是環(huán)境化學(xué)中典型的案例之一。環(huán)境化學(xué)通常研究的是化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境中遷移、轉(zhuǎn)化和降解的規(guī)律，它時(shí)常與“污染”一詞聯(lián)系在一起。隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，環(huán)境問題日益成為關(guān)注的焦點(diǎn)。環(huán)境化學(xué)也成了理解環(huán)境問題以及環(huán)境保護(hù)的重要基礎(chǔ)。

科技越來(lái)越尖端，我們對(duì)材料的需求越來(lái)越高。我們希望材料在更輕薄的同時(shí)變得更堅(jiān)韌，甚至還帶有諸多獨(dú)特的性能。我們最終有可能制造出高溫的超導(dǎo)體嗎？那么透明的液態(tài)鐵磁體，或者一種真正具有生物相容性的神經(jīng)假體是否有可能呢？如果有一種比金剛石更好的熱導(dǎo)體材料，同時(shí)價(jià)格又便宜，還具有氧化穩(wěn)定，那就再好不過(guò)了。人們正在朝著許多過(guò)去認(rèn)為“不可能”的材料邁進(jìn)，化學(xué)在這個(gè)過(guò)程中自然功不可沒。

在Reinventing Chemistry這篇文章中，懷特塞茲教授提及的問題遠(yuǎn)不止這些。他甚至提到了全球人口、國(guó)際沖突等許多看似更“不相關(guān)”的問題背后的“化學(xué)”。

他相信，化學(xué)正在經(jīng)歷一場(chǎng)重要的變革，盡管化學(xué)中那個(gè)知識(shí)層面和商業(yè)層面飛速發(fā)展的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去，但未來(lái)化學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)，會(huì)將化學(xué)帶到一個(gè)新的舞臺(tái)。

參考來(lái)源：

G. M. Whitesides. 2015. “Reinventing Chemistry.” Angew. Chemie., 54, Pp. 3196-3209.

https://www.biochemistry.org/education/careers/becoming-a-bioscientist/what-is-biochemistry

http://www.bulletin.cas.cn/publish_article/2016/6/20160605.htm

原理，https://mp.weixin.qq.com/s/2_7sMK0EOkMY1P4ZWNZyKg