财新传媒
位置:博客 > 知识分子 > 徐如人:重视凝聚态化学的研究与学科建设

徐如人:重视凝聚态化学的研究与学科建设

撰文 | 徐如人(中国科学院院士、吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室)  

责编 | 陈晓雪

到目前为止,人类已经创造出上亿种物种、物相、化合物和材料,其组成几乎涵盖了周期表中的所有元素。它们呈现多层次结构的凝聚态(Condensed Matter),包括晶体固态、准晶与非晶固态、无定形与玻璃态、介观态(如纳米、团簇等)、熔融态、液态和气态等。这些凝聚态具有特定的组成、多层次结构、性质与功能,是所有化学反应的主体。这些物种、物相、化合物和材料的化学性质以及它们间的化学反应(包括反应条件、过程、机制、结果与产物的功能)主要决定于其凝聚态组成和多层次结构。

比如,对于固态物质,其多层次结构就包括特定的键合、晶体结构、多种类型的缺陷与能带结构、界面、粒度尺寸和分布等。当在高温下晶体固态间发生化学反应时,除了组分间发生反应,固态中的多层次结构也将发生变化。以其中的缺陷为例,在高温下缺陷本身、缺陷与缺陷间、缺陷与组份间往往会发生一定程度的变化与反应,从而影响整体反应的进行与结果。比如,在以离子熔体、分子熔体与金属、合金熔体为主的熔融态结构中,空穴、空位、位错,具有特殊组成与活性的化学个体粒子和“变形中心”,以及由于结构原因造成的诸多熔态特性,将影响和决定熔态化学与在熔态中进行的化学反应。又如,以水为代表的液态,除了水分子自身的结构和极性,在液态水中还存在氢键、水簇、空洞等结构,导致液态水成为大量化学反应最重要的介质,诸如溶解与沉淀、晶化、酸碱中和与盐类水解、氧化—还原与复分解、络合和配位、簇合、聚合以及大量亚临界条件下的水热反应等。在临界与超临界条件下,液态水的组成、结构和性能又发生了极大的变化,从而形成了超临界水热化学。

再如,纳米态与相关材料的化学,则更与纳米的介观态结构和由态结构赋予的特性(包括界面效应、量子尺寸效应、小分子效应与量子隧道效应等)紧密相关。元素周期表第一、二周期中的元素及元素相互间生成的化合物和第八族的惰性稀有气体是化学中的主要气态物种,然而这些气态物种间如果要发生化学反应,却只能在具有特定组成、结构与催化功能的固态或熔态中或超低温下光催化的作用下才能得以进行,因而,它们的化学是现代催化化学研究领域的重要对象,是推动现代催化理论发展的基础。

然而直至目前,化学科学所描述与研究的内容还基本上停留在以分子与理想晶体为基础的结构、化学性质与化学反应、合成以及它们之间的关联、规律与理论方面。这样必然无法准确全面地描述与认识实质上是以凝聚态为主体的化学科学。特别是随着科学的快速发展,化学家们必然面临一系列前所未有的新化学科学问题,比如(1)设计与定向创造新物质,特别是具有特定功能与特定学术意义的新物质;(2)研究复杂体系(比如生命、地球、大气以至星际等体系)中的特殊与极端条件下的化学反应以及(3)为人类谋幸福求健康所面临的诸多化学问题。

因此,建立和发展凝聚态化学(Condensed Matter Chemistry)这个新学科就显得尤为重要。凝聚态化学是以与化学科学具有紧密联系的固态、介观纳米态、熔融态、液态与气态为主要对象,研究“态”的组成、多层次结构、性质与功能,态-态间的化学反应规律和多层次结构间的关联,凝聚态物质的构筑与创造以及它们的规律与理论的一门学科。为了适应新化学科学的需要,建议化学家们在目前化学科学的基础上,高度重视凝聚态化学的研究与学科建设,系统地开展与化学紧密相关的上述凝聚态多层次结构与特性对化学反应的影响研究,总结普遍规律,并与凝聚态物理学界的同仁们加强学科间的协作,以发展有关理论来推动化学科学以至物质科学与材料科学更大的发展。

英文原文2018年1月发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR),原标题为“Towards a new discipline of Condensed Matter Chemistry”。《国家科学评论》是科学出版社旗下期刊,与牛津大学出版社联合出版。《知识分子》获《国家科学评论》和牛津大学出版社授权刊发该文中文翻译。

英文版链接:https://academic.oup.com/nsr/article/5/1/1/4826553

推荐 8