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如题。很认真的问这个问题，认真脸。
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那就打一顿
那就得用两顿烧烤了。
那就再吃一顿好了
一开始就应该是烧烤
已有帐号？
无法登录？
社交帐号登录那个问题没解决_百度知道现在化学还有什么重大的未解问题吗？
物理学和生物学似乎都仍有很多问题没有解决，比如说物理学还没有找到统一理论（实验应该还没有证明弦理论），生物对于生命也仍有很多问题没有解决。那么在化学界还有什么重大的未解问题吗？
鉴于塑料、橡胶、纤维等各色聚合物高分子材料占据了人们生活的绝大部分，科研狗来说一个高分子化学中的问题吧，即环状高分子的制备与生产。以下“聚合物、高分子”为同义词。众所周知，绝大部分的聚合物材料都是以线性和线性交联为主的，一个小分子结构单元重复了成千上百次，分子量大量增加，变成一条又长又卷曲的“线”，无数条这样的“线”有序或无序组成在一起，即为我们日常的聚合物、高分子。从我们平日所用的PS（聚苯乙烯塑料）、PC（聚碳酸酯塑料），到硫化橡胶（交联的线型聚合物），甚至液态的高分子涂料等等，可以想象，都是以线型分子为基础单元的。可是，一条“线”总会存在头头和尾巴吧？别小看这头头和尾巴对整个聚合物的性能的影响，它的存在与否或是线上那只占千分之一甚至几十万分之一的基团，一直都是高分子化学中的热门研究领域，分子链的两个末端对聚合物的性能占据至关重要的地位。但是，环状聚合物便没有以上的的问题了，这一条“线”的头尾连接在一起，原本存在头尾的“线”变成了一个没有头尾的环，聚合物的性能随即会发生显著改变，甚至，我们可以进一步制备各种又神奇又奇葩的产物：简而言之，在诸多研究的论证之下，环状高分子普遍要比传统线型高分子性能优越得多，如在溶液性质、拓扑结构、流变学性质、电学性质等等，甚至可能会带来聚合物界百年来的巨大革命。许多人一看，乐了，既然环状高分子性能那么好，那为啥生活中环的塑料、橡胶、纤维、涂料等等不能大规模生产造福人类呢？这里要从高分子的聚合机理说起了，不过为了方便大家理解，我在这里采用以下简化描述。一条高分子链要形成环，可以通过两种方法，一种是从小环直接扩大成大环的扩环法，一种是把线型的高分子首尾相接，而前者机理复杂，适用的原料总类极少，可以忽略不计，环一般以后者为主。线型高分子要首尾相接，首先我们得要有个可以链接的“搭扣”吧？于是，科研工作者们得在线型高分子的头拴上A基团，然后在尾巴拴上B基团，AB即为可以相互链接在一起的“搭扣”，如下。有些聚合物的A或B是从一开始就自带的，有些则是要从自带的改性成合格的“搭扣”，有些则是要通过复杂的方法链接上去。只要涉及到有机反应，一定有很多副产物产生，光是分离提纯就是非常艰难的事，况且A和B的键合效率也不会很高（多亏Shapless发展了点击化学，缓解了不少）。光是以上两点就是非常困难的一项了，可以为这样就完了吗？A和B基团作为额外插入的“外来客”，有可能会对聚合物性质造成一定影响，而没有A和B咱又不能连起来，这悖论至今难以调和。有些聚合物的A或B是从一开始就自带的，有些则是要从自带的改性成合格的“搭扣”，有些则是要通过复杂的方法链接上去。只要涉及到有机反应，一定有很多副产物产生，光是分离提纯就是非常艰难的事，况且A和B的键合效率也不会很高（多亏Shapless发展了点击化学，缓解了不少）。光是以上两点就是非常困难的一项了，可以为这样就完了吗？A和B基团作为额外插入的“外来客”，有可能会对聚合物性质造成一定影响，而没有A和B咱又不能连起来，这悖论至今难以调和。除了这些便没困难了？TOO YOUNG TOO NAIVE，下面这个才是难中之难。高分子的成环必须在极稀条件下进行，往往好几升的溶剂才能用于反应零点几克的关环，否则你将得到：以及更长的---AB---AB---AB---AB---AB……以及更长的---AB---AB---AB---AB---AB……简而言之，精细的“搭扣”制作、苛刻的分离提纯、极稀成环条件等等使得大规模生产几乎趋于无望，高成本的投入往往只能得到极少的产物，所以，面对环状聚合物的优异性能，咱们只能望洋兴叹了。呼，好累，谢谢各位。
首先要明确化学的研究领域，如果按照物质尺寸划分，化学研究的范围应该是原子半径以上，微米以下。单个的原子及比原子还小的粒子是物理学的范畴，微米以上大到肉眼可见的宏观体系是材料学的范畴，尺寸大到天文单位，就又是物理学的天下了（也可以说是天文学）。说白了，传统上化学主要研究分子。按照尺寸划分的学科疆域显然不是那么严格的，不是泾渭分明而是犬牙交错。在分子生物学建立起来之前，生物学研究很大程度上也位于微米以上，经典的生物学可不就是植物学、动物学这些分类学嘛，DNA双螺旋结构发现以前，所谓遗传学也不过是育种学，孟德尔豌豆的那一套。但分子生物学建立后，生物学发生了翻天覆地的变化，它的研究对象尺度一下降低到分子级别，跟化学的范畴发生了重叠。现在的生物学，绝大部分领域的研究重点都到了分子层面。那么问题来了，我研究蛋白质分子，是属于生物学还是化学？显然都可以，现实也是如此，解蛋白质结构的施一公院士是生物学教授，搞蛋白质合成技术的刘磊教授是化学教授。同样一个对象，不同学科有不同学科的角度，并没有那么严格的界定。物理学也不是老实待在原子及以下尺寸的学科，这部分只是现代物理学的一部分——粒子物理学，而世界物理学的最热门方向其实是凝聚态物理，拥有最多物理研究人员，发表最多物理论文。所谓凝聚态，就是固态和液态，这研究尺度一下子就上升到分子级别或纳米了，又和化学重叠了，如果对凝聚态物理和物理化学都熟悉的同学，应该知道这两个学科制备材料的手段其实挺相似的……纳米科学是需要单独讲的一个学科，它不是物理、化学、生物那样的一级学科，但显然又是当下最热门的学科之一，其自身尺寸决定了这一点。纳米刚好位于分子尺寸以上，微米以下，是传统的化学不曾关心（尺寸太大），传统材料学也不曾关注（尺寸太小）的一个区域，一块新发现的处女地，又拥有很多奇异性质，因而物理、化学、材料等许多学科都涉及纳米科学的研究，是非常热门的领域。在我看来化学是一门“开疆拓土”能力很强的学科，它能够扮演其他学科重要工具的角色（数学、物理常常如此，越基础的学科，作为工具的概率越大），也拥有自身独特的发展脉络，由于研究领域为分子尺寸和微纳米尺寸，你可以视其为桥梁，也可以像美国化学会定义的那样：化学，一门中心学科。我们大致清楚了化学的研究范畴，下面我列举几个重要的未解决的化学问题。【化学自组装】美国《科学》在2005年提出21世纪亟待解决的25个重大科学问题，化学自组装是唯一与化学直接相关的重大科学问题。自组装是以分子或分子以上层次的分子聚集体和纳米结构作为基本单元，通过弱键相互作用自发形成特定结构的过程，是创造新物质和产生新功能的重要手段。它的重点和难点在于“弱键相互作用”，更精简一点就是“弱”。“弱”意味着可控性差，从制备角度看就是很难得到预期产品，从理论角度看就是很难用简单的理论模型去描述。这里多说几句，前面有同学提到化学体系很难用准确的理论描述，尤其是没有向牛顿定律那样简单美观的公式。这是事实，化学体系的复杂性正是它的迷人之处，理论上的困难是它的固有性质产生的，和化学家行不行没什么关系，你让数学家物理学家来搞也一样不行，三个球互相吸引转来转去就把数学家困住了，化学体系，例如这个自组装问题，亿万个分子相互作用，而它们的作用又是“弱相互作用”，双重困难，数学家有办法解决吗，算得清楚吗？同样是纳米尺寸，凝聚态物理很热门的高温超导，实验做了一大堆，上限一再突破，就是不知道机理是什么，看来物理学家对这个尺度的问题也没有特别好的办法。【可控分子合成】这是我生造的词，其实不能算是一个问题，而是化学这门学科的终极追求。在如家化学很多分支都和别的学科交叉的情况下，有机化学（包括高分子化学）仍然在做这方面的努力。化学家已经创造了许多自然界原本没有的物质，它们是现代社会的物质基础。又或者从自然界提取某些物质，用化学方法合成，降低其成本，改良其性能。这条路，就目前来看还很漫长。首先是某些极为重要的物质的合成方法并不完美，例如氨气，氨气对工农业都极为重要，但化学家始终没找到完美的催化剂来高效环保地制造合成氨。第二是某些重要天然产物的合成问题，一些作为特效药的天然产物由于无法人工合成，只能从自然界提取，成本高昂，这有赖于全合成化学家的努力。第三可能是最困难的一个，根据功能设计分子结构，合成分子，如前面的同学提到的，这是构效关系问题。例如需要制造一种药物，如果我知道靶点蛋白和结构，我用计算机设计出能作用于靶点的最完美的分子，再去合成它，这显然是很理想的。目前虽然计算机辅助药物筛选已经很流行了，但它仍然是“辅助”，结果不一定正确，正确的也不一定是最好的。合成完的药物分子还需要生物实验再进行验证和筛选。合成这一步不要以为很简单，如果真的只是做饭炒菜一样的level，合成方法学也不会发出那么多文章了，不过考虑到这是化学家的传统优势项目，解决起来应该比前一步的设计要容易一些。【纳米材料的可控合成及实用化】纳米材料非常非常热，从文章的影响因子看，当今科学界唯一能和生物领域匹敌的只有纳米材料。很多高档次的杂志都有一大帮化学家、物理学家、材料学家在大量灌水纳米材料方面的文章。但还没有人能真正解决纳米材料的可控合成，一种合成方法一般只适用于一种或一类纳米材料，同样是纳米线，金纳米线和银纳米线的合成方法迥然不同，100nm的金纳米棒和500nm的金纳米棒合成方法也不同。而且很多文章的重复率不好，因为纳米材料的合成受条件影响太大（这一点上远不如有机合成文章那么可靠）。而且另一个致命问题是，不像有机或无机分子，虽然完美的构效关系理论还没有，但一般行家看到分子结构会对其性质有个大概的感觉和预测，纳米材料不是这样，其构效关系更为复杂，或者有些文章就是为了合成某种奇异的结构，对其性质并不十分关心，例如我个人觉得很无聊的“纳米花”结构。关于实用化，是困扰纳米科学界的一个很头疼的问题，纳米科学刚诞生的时候被各方广泛看好，觉得人类的新时代就要因此到了，但几十年过去了，纳米材料的文章发了不少，真正实用化的寥寥无几，或者即便实用化了也没有产生预期那么好的效果。【生命的化学基础】这不是生物学的问题吗？你当然可以这么认为，现实是不管化学还是生物学，都有大批科学家在做这方面的研究，大家思路可能不一样，但殊途同归嘛。这又是一个涵盖广泛的大问题。我感兴趣的是了解了生命的化学基础后，改造/制造生命的问题。有人会说生物学家早就可以改造/制造生命了，克隆啊，试管婴儿啊，敲掉细菌几个残基等等，但生物学家玩的还是自然界的那一套，脱氧核糖核酸无非就是那四种，氨基酸无非就是那二十几种，但化学家可以合成自然界没有的脱氧核糖核酸、氨基酸，它们对生命的影响或者用它们制造的生命显然是会非常不同，目前已经有人在尝试了，所谓合成生命嘛。篇幅和学识所限，只能泛泛而谈，欢迎指正。
题主问物理和生物似乎都有很大的坑没有填上，那化学有什么比较大的坑吗？而我认为，实际上，化学本身就是一个坑。无论是我开始学化学的时候，还是我正式进入化学研究领域之后，都在无数次的听到这句话：化学是一门实验科学，一门经验科学。也就是说，化学到现在，很难找到一个能够绝对支持并指导绝大部分实验结果的理论，也许除了元素周期表？当然这么说也并不确切，当我们从物理化学的角度来思考化学这门学科的时候，其实已经有了很多比较成熟的理论。但是这些理论在实际应用中常常牵扯到极为复杂的计算和大量的简化过程，最后只能用来推断很简单的模型，根本无法应用于指导实验，更别提精确地推导结果了。所以说去年的诺贝尔化学奖 ，其实这在用理论来指导实验的大方向中只是非常小的一步，但是即使是这样小的一步，在化学里也难到了、重要到了可以颁发诺贝尔奖的程度。在现在的化学界的大部分研究方向（也许除了一部分物理化学）里，研究问题的方法仍然是：1、梳理之前的成果，归纳出一个符合逻辑和基本理论的猜想。2、按照这个猜想尝试新的反应或者结构。3、如果成功了，就为这个猜想增添了证据和实例，这个猜想就有可能更接近事实。4、如果失败了，就为这个猜想增加更多的限制条件，或者创造一个新的猜想。这个流程里面存在一个非常严重的问题：之前的实验结果和由其归纳出的猜想未必具有相关性。说的简单一点，其实和中医理论有点类似，你做不出对照组，排除不了其他条件的干扰，也完全无法遵从的原理。这就导致了化学领域无论是理论还是实验结果，都更像一个个分散的点，我们知道这些都是一棵树上的果实，但是这棵树太大了，我们摸不到它的主干和它的根究竟在哪里。维基对化学的定义是：化学是一门研究物质的性质、组成、结构、变化，以及物质变化规律的科学。所以我个人认为，化学的问题就在于：我们在研究物质的性质、组成、结构、变化方面已经做得很好了，但是在研究物质变化规律方面，还差的太远。有点类似于盲人摸象一般吧。
搞了六年的理论化学，今天就献个丑。以下观点纯属个人看法...
首先引用一段在理论化学界颇为恶俗的，来自狄拉克的开场白：“The fundamental laws necessary for the mathematical treatment of a large part of physics and the whole of chemistry are thus completely known, and the difficulty lies only in the fact that application of these laws leads to equations that are too complex to be solved.” —— Dirac
这段话的历史至少长于半个世纪。在二战前，伴随近代物理学在统计力学，量子力学和狭义相对论方面的突破，所有可观测的化学现象的物理基础，及描述全部化学所需要的数学方程都已经建立完成。在理论上，只要有拥有足够的计算能力，求解薛定谔方程（对于重元素而言考虑相对论，是狄拉克方程），结合统计力学的几个基本公理就能精确预测宏观尺度下所有的化学反应。而此后理论化学的发展，基本上都可以被认为是求解这几个基本方程的数值方法的发展。从这一点上来看，迄今为止，现代化学没有本质性的新发现，也不存在终极性的理论问题。化学仅仅是一门研究如何在原子分子尺度上利用现有物理规律而为人类牟取利益的应用科学，而理论化学的未来，需要在小数点后的数值上去寻找。（我就不说小数点后第六位了，咱还没到那精度...）
因此，当代理论化学的首要任务就是为化学的不同分支提供各种近似数值算法。对定态薛定谔方程的求解导致了各种第一性原理方法（HF，MP2，CI，CC， 各种CAS还有QMC...）和密度泛函方法的建立。对含时薛定谔方程的求解导致各种所谓动力学方法的建立，包括wave-packet method，surface hopping, semiclassical method 以及各种基于路径积分的方法。对于统计力学方程的求解则成为整个分子力学领域的基础。各种方法之间相互交叉渗透，比如ab initio和分子力学结合产生各种基于ab initio的力场以及AIMD/CPMD；路径积分和统计力学结合产生处理量子统计力学的RPMD等等。总而言之，都是基于几个基本方程衍生出来的数值方法，可以用模拟（simulation）一词来概括。这些方法在各化学分支中的具体应用也通常被称为计算化学。一般而言，这些方法的基础是普适的，其主要挑战在于有效地平衡计算精度和计算速度。同时，考虑到计算能力的限制，直接模拟能够解决的体系太过有限，远远不能满足实验对理论的需求。所以，理论化学的另一个重要任务是，在数值模拟的基础上，结合我们对物理本质的理解，构建比基础方程更为高级，更为简洁的理论模型，用于描述某一类特定的问题。比如用于描述化学反应动力学的各种版本的过渡态理论，Marcus理论，或者用于描述蛋白折叠的landscape theory，再比如描述气体吸附的朗格缪尔模型，应用于谱学领域的Kubo模型等等。此类模型微观上可以由数值模拟验证，宏观上可以和实验直接对比。物理含义简单清晰，数学上易于计算。理论化学家使用来自模拟的参数后可以做定量或者半定量计算，实验化学家可以用来做简易的定性分析，其好处不言而喻。其缺点是解决的问题更加特异化，不够普适，在特定条件下存在失效的风险，需要使用者有良好的理论素养。这样看来，现代理论化学的发展坚实而富有成效。然而遗憾的是，理论化学和实验的结合仍然存在巨大的问题。总体体现为误差大，只能定性不能定量。再就是只能解释无法预测，也就是马后炮居多。根本原因当然在于计算速度慢，所以需要实验者提供先验信息以限定范围，而这些信息实验则未必能提供。比如在催化剂结构形态不明的情况下去预测催化机理，就基本靠蒙，而理论预测固体结构所面临的采样问题现阶段又根本无法解决。更不用提很多实验本身就存在现有技术条件下难以控制的误差，比如有机中合成者的各种“手艺”问题...另外，我以为还有一种因素阻碍着化学理论和实验的结合，我称之为化学中的“中医”问题。其来源在于在物理学取得足够的进展之前，化学已经独立发展了很长的时间，形成了一个庞大的体系。这座流沙上的城堡完全依靠对实验现象的经验性总结而建立，充斥着各种真真假假虚虚实实的完全不可控的bug（正如楼上吐槽文所描述的那样）。典型的比如勒沙特列原理，相似相溶理论，价层电子对互斥理论，神奇的8电子或者18电子稳定结构，原子外电子的排布规则，甚至包括量子化学已经开始兴起时建立起来的软硬酸碱理论以及共振论。这些经验性的唯象理论缺少坚实的物理基础，无法定量描述问题，但是足够简单，易于理解，且定性疗效好，姑且称之为化学中的“中医理论”。令人遗憾的是，几乎每一个化学专业的本科生头两三年接触的几乎都是这种类型的理论。因此很多没有进一步深入学习理论化学就进入科研工作的学生都多少缺少理论素养，而习惯了这种唯象的思维方式。化学专业的学生容易养成一些不求甚解的实用主义心态，即没有耐心也没有能力对理论问题进行深入而严格的探讨。他们再去和理论方向的学生交流时就容易陷入中西医之争时常见的套路了。而某些学者发文章时喜好炒作概念，经常使用描述性的语言，定义模棱两可的术语，助长了这种风气。纯经验理论中的bug和理论化学本身在计算规模上的困难造成了化学理论无用论的流行。我曾经非常激进地认为普通化学这门课应当废除，化学专业应当从基础量子力学开始学起。我现在的观点是，这些理论可以有，但是要尽可能严格化，数学化，规范化，正如中医可以有，但是应当逐步地科学化一样。实际上这完全是可能的。勒沙特列原理或者相似相溶理论完全是热力学和统计力学的特殊推论，酸碱的软硬与能量的二阶导数存在联系，共振论可以经由现代价键理论而归入量子化学，原子的带电量可以由各种布居分析方法定量，本身并不存在的分立的单电子轨道（比如有机中常用的前线轨道概念）也可以表述为数学上较为严格的Natural Orbitals，而Natural Bond Orbitals则有效地复活了路易斯结构式的精神。化学理论严格化的好处在于：1）变定性为定量，有效提高预测精度；2）统一概念，避免讨论问题时嘴上说着A，脑子里想的却是B，实验上测的是C，手头算得是D，最后牛头不对马嘴的情况。总结以下结论: 1）当代化学理论根植于近代物理学发展的沃土，其逻辑基础已经十分完备；2）化学理论目前给人造成混乱的印象，是历史遗留问题。主要是大量经验性唯象理论未经严格化，语言使用缺乏规范。3）化学理论的发展障碍，不在于基础的不坚实，而在于大自然体系本身的复杂性。最后，列几个理论化学界当前的主要方向，纯属个人意见，水平有限，遗漏不补...1）准简并体系的电子结构问题，即所谓multi-reference或者strong static correlation的问题。2）密度泛函理论中的self interaction error的修正问题。3）高精度计算分子间弱相互作用的问题。4）激发态计算（包括孤立和延展系统）。5）溶剂化效应。6）大尺度（纳米至微米）模拟及多尺度嵌套模拟。7）Rare event采样和全局优化问题。8）可靠的力场参数发展方法。9）原子核量子效应的模拟。10）电子/原子核耦合运动（波恩-奥本海默近似失效）。11）过渡态理论的修正，化学反应动力学。
如Smile Zhu所说，化学方面的理论基本都是坑。打个比方，物理的研究成果是这样的：而化学成果是这样的：皮球不推不会动，推了会向力的方向移动，越动越快，但是快到一定程度就到极限了。木球有类似的表现。塑料球有类似的表现。铁球有类似的表现。铜球有类似的表现。铅球有类似的表现。……我们发现了【推球定律】。氢气球的表现不一样。氢气球是个例外。原因不明。推球定律不适用于氢气球。类似地，推球定律不适用于氦气球。……我们发现了【反推球定律气体】。皮球放在水里表现不一样。水是个特殊因素。推球定律不适用于水中。铁球在水中的表现符合推球定律。铜球在水中的表现符合推球定律。铅球在水中的表现符合推球定律。……我们发现了【推球定律普适材料】。………………======================感谢各位的赞同 但是本答案主要是吐槽 如果点赞同请先点一下 =======================7.2 赞多了就有点战战兢兢 还得替化学说两句好话因为题主问的是化学中有哪些大坑，我看到Smile Zhu的答案，心有戚戚，所以写下这个吐槽的答案。学化学的人自己都很清楚化学理论的不完备。化学本身确实不是严密的，因为以当前的计算水平和理论水平，不足以从最基本的粒子出发来得到严密的化学理论。但是这不意味着化学就是 “伪科学” “骗子”，更不意味着化学 “无用”、 “浪费”。基于客观的可观测可重复可证伪的实验得到的结果都是可信的，也已经为人类社会做出了巨大的贡献。理论要不断充实，但实际的应用不可能原地踏步。就像人类在发展出结构力学之前已经建成了许多实用美观的建筑。因为缺少足够强大的理论支撑，很多化学研究称得上步履维艰，但是为了求索也好，为了糊口也好，很多科学工作者还是艰难地做出了很多对人类直接有益的工作。如果说数学是一切真理的基础，物理是一切物质与能量的基础，那化学的研究对象的确可以看做物理学的一个统计结果，类似地，生物学的很多研究对象也可以看做化学高度有序自发进行的结果，医学也不过是生物学的分支之一。但是生病了不能等着数学和物理学来救人啊。最后扣个题：我个人觉得，化学重大的未解问题，包括但不限于：1）大量微观粒子的行为如何用数学方法描述2）如何从某一状态某一时刻下物质的状态推知另一状态另一时刻下物质的状态3）如何通过物质的微观结构准确预测其宏观性质估计此生无望。
截止到目前为止，目前==，排名靠前的答案都支持
的观点。“化学到现在，很难找到一个能够绝对支持并指导绝大部分实验结果的理论”这个观点所描述的现象没错，化学作为一门学科，缺乏一种自洽的大统一理论的指导，但这一缺陷过去不是现在不是将来也不是化学最大的未解问题。当然了，其实过去我也以为这是个问题。我的理由有三点：1）化学这门学科从建立起的目标就不是建立一个大统一的理论来描述世界，那个目标是物理学的事情。而且这个理论真要建立了，所需要的前提知识太多，一般人没法学。2）化学作为一门核心自然科学，主要采用的思维方法为归纳法，而归纳法是不能产生一种大统一理论的。3）从古至今，大多数化学的学生学者在1-2年会发现这一缺陷，然后这些人的一部分会成为学科的学术带头人，然后这些人都没有把这个问题作为自己的头等大事，而是执着于自己擅长领域的研究。（标准归纳法思维啊。。。。）然后我说一下我认为的当前化学的最主要未解问题：如何制备在介观规模下能保持微观有序并具备精细结构的物质？？比如，石墨烯，碳纳米管，等等。我的理由还是三点：1）化学的核心的核心是制备新物质，学科最重要的未解问题始终应该来源于这一方面。2）微观有序的物质是其它自然科学与工程发展的基础，比如高纯度硅之于半导体工业，单晶叶片之于发动机工业。微观有序又具备精细结构的物质会促进诸多领域的发展，比如电池，芯片，医疗分析，等等。3） 化学家要想弄个大新闻，要么走这条路，要么就只能 化学是你 化学是我 了。。。。
21世纪的四大化学难题
(徐光宪) 【URL】 【作者】
徐光宪 【来源杂志或书籍】
科学时报 【卷(期):页】
科学纵横栏目第三版 【出版日期】
【主要内容】
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?狻?br& 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，零排放的，原子经济的，物质在内部循环的企业。　　(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。
我个人以为，“学科的重大未解问题”是个很好的问题，是很值得大家认真思考和讨论的问题（尤其是在学术圈内，通常学术圈对于此也有很好的共识。）但是看到某些主题是吐槽化学的回答，还是不免让人感觉辜负了这个问题。回头再看自己的回答，大半是文不对题的吐槽和个人感受，竟然还有很多人读到，不由颇为惶恐。虽然我个人不鼓励关于学科“意识形态”方面的讨论，但由于这个问题承载了很多关于化学和学化学的人的吐槽，这个回答的缘起也是“对吐槽的吐槽”，所以我也就不再大幅修改回答，但求抛砖引玉。----------------------精简版的回答----------------------化学的核心在于合成。当前合成方面我以为有两类问题是化学学者普遍关注且尚未得到满意答案的：一些有极其重大应用价值的小分子的活化：氮气、甲烷、水、二氧化碳纳米到微米尺度的有序结构的可控合成----------------------关于吐槽的吐槽----------------------鉴于现在很多回答的实质变成了对化学的个人吐槽。我想先说一些和问题无关，和化学有关的话。以下内容仅代表个人观点。化学已有的成果已经极大改变了人类世界，并且还将产生更多对人类有意义的成果。我们不妨看看身边日常生活中用到的每一样物品，几乎都离不开化学的贡献。（几个最主要的例子是石油化工——日常能源、合成高分子——塑料和冶金业——金属产品。）并不夸张地说，正是无数勤奋的化学工作者前赴后继，才使这些成为现实。然而，这么一棵枝繁叶茂，为人类带来丰硕果实的参天大树，却被很多人，而且还包括很多即将继承前辈伟大工作的人，理解为一棵问题之树，甚至已经不再是一棵树了，而是一个可有可无的“巨坑”。我们甚至应当逃离这个“巨坑”，到其他根基坚实的“大树”下面去乘凉。我不由得要问，明明是一棵大树，什么时候突然就变成了一个“巨坑”？把任何学科理想化、完美化，都会走向另一个极端。无数物理学的先贤和民科都曾为一个重大问题而努力：如何制造一台永动机？也一定会有无数人问过，物理学这么伟大，为什么就不能造出一台永动机，从此生生不息，让人类过上幸福快乐的生活呢？后来发生了什么，大家都知道了。——出问题的究竟是物理学这个“巨坑”，还是这些人？也许都不是。再看看另外两个学科的例子：我个人尤其推荐关于心理咨询的讨论。引用其中李松蔚老师的一段话吧：这只是一个年轻人，对着自己已经踏进去半只脚的职业生涯，失望，冷嘲，并道别。她说：「你为什么不能改变世界？为什么不能改变世界？为什么不能改变世界！！」她辛辣的嘲笑声，听起来倔强又绝望。镜头重叠到我自己身上（原谅我的自恋吧）：本科学心理学的时候，我羞于承认自己在学习一门「前范式科学」。后来鬼使神差地选择了在临床心理学方向深造。跟 同学一起讥刺这个行业的从业者，就像过去那些逼良为娼的「婆子」。每天吐槽这个专业，吐槽身边的人，吐槽自己。想尽各种办法参加各种培训，只为接触更多的高手，国内的，国外的，不同流派的……在不同时期对不同老师寄予过很高的期待，但是学习久了，又免不了一次一次的失望……很多事看不惯，想不通，做不到……愤而上网发文，被系里老师请喝茶。…………直到很久以后我才顿悟，那些我以为是跟专业特殊性有关的烦恼，却真的和专业无关。不管学习什么专业，从事哪门职业，恐怕我都会走过那段羞耻，失望，愤怒，和自以为是的路。因为这个世界，不管谁来看，不管用任何知识，从任何高度来看：都是非常非常不理想的。我觉得我们首先有必要区分“有用”和“完美”这两个概念，而不是妄自菲薄，更不应提倡和鼓励把学科的不完美夸大为一无是处。复杂系统 (complex system) 下，也许会有普适的结论，但是很可能不是现在我们想象之中的“完美”结论。再举一个简单的例子，骰子里面，普适结论就是，六个面的概率各为六分之一——你却想要知道下一次哪一面朝上，虽然这个问题的确非常重大非常有意义，但很抱歉，这不是一个可以“解决”的问题。就像人类终究是造不出永动机的。化学也不能造永动机——某些小分子层次具有重大现实意义的问题未必有解答：如氮气的活化，二氧化碳/甲烷的活化，水的（光/电）活化等。但是我们普遍认为这些是重大问题，就像物理中的大统一理论是重大问题，但是有没有可能解决呢？——解决之前，或者被证明不可能之前，谁都不知道。请原谅我用绝大部分篇幅讨论了我理解中的化学的界限。----------------------正经的回答----------------------下面简单回答一下原来的问题：当前化学的重大未解问题，我觉得可以从什么是核心化学 (core chemistry) 来考虑：化学的本质是且只是合成。除了刚刚提到的几个重要小分子（氮气、二氧化碳、甲烷、水）的活化问题，稍大尺度（从纳米到更大尺度的有序结构）的可控合成也是另一个重要的问题。如果把眼光拓展到包括分析领域，那么单分子检测无疑是分析科学的圣杯。最后，愿化学的明天更加美好，与各位共勉。附注：1. 前半部分不只是跑题，还有很多情绪化的内容，已用下划线标出，请大家小心。2. 对理论和实验的一点补充看法从现象上来看，化学当前不完美之一，似乎在于它还几乎只是一门实验科学，当前的化学理论 1)不能良好解释实验结果 2)对于未知世界的预测能力极为有限。因此，我们在做的基本就是“我的实验中发现了x具有性质A”这样的工作（好像被称为“集邮”……），如果想知道“y是不是也具有性质A”，很抱歉，一般来说，除了（花钱花时间）做实验，目前还没有更好的办法。作为一门依赖于实证研究的科学，基于归纳的一切化学理论都不能自证其可靠性。（因为我们不能用朴素的归纳法穷尽这个世界）。这种现状，不只是一门实验科学对于“经验”（天真和幼稚的）的怀疑论，而是基于当前化学发展事实的严谨判断。但是，化学扎根于实际，首先要解决实际问题。即使我们的“理论”支离破碎，但是，一个支离破碎但是符合实际的理论，和一个大统一但是不符合实际的理论，化学工作者应该如何选择？因此，我个人倾向于认为，化学理论的问题本质上并不是一个大问题，化学不能解决的实际问题，才是更重大的问题。这也是我个人不太鼓励讨论化学“意识形态”的原因。（不过在某些学科“意识形态”的讨论中也开辟出了新的领域——比如积极心理学。这个结论也未必绝对。）由于化学研究的对象是原子、分子（近年来还包括分子量更大的高分子和自组装体系）和他们的相互作用，而在大量分子进行相互作用时，是介于宏观体系和微观体系之间的复杂系统 (complex system)。最后的最后，我个人的猜测是，我们想象之中的“完美”（此处也许可以翻译成 well-defined）化学，有没有可能，并不是以我们现在想象的形态存在？
化学的根本理论应该在于”结构功能关系“这六个字上。而事实上我们对结构和功能的关系的理解从未能达到过能指导和预测宏观的，大量的，体相的现象的程度。从而，化学自身就是一个坑……
我觉得这个问题应该反过来: 现在化学有什么已经完全解决的重大问题吗?化学系的人都知道, 化学系的数学要求比其他理工科都低, 化学的课本里有很多经验公式和总结规律得到的理论。毕竟分子层面的变化牵扯的因素还是很多的。我一个师兄研究理论的，当年把七台电脑连起来算水分子的氢键角度经常把电脑算死机。说现代的化学已经比古代迈出了一大步，那是人类自己跟自己比，放宽到自然界本身，我们也就比炼金术士前进了半只脚吧。数学和物理才是基层学科的基础学科。
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