2024年3月10日发(作者：)
化学的研究与服务创新——科普大讲堂专家谈化学
作者：暂无
来源：《华东科技》 2011年第5期
自然界中的物质时时刻刻都在发生着变化，人类从学会用火之时就开始了用化学方法认识和改造天然的物质，随着科学的发展，化学学科对人类知识的进步、环境保护和知识发展做出了重要的贡献。为了纪念化学学科所取得的成就，以及对于人类文明的贡献，联合国将2011年定为国际化学年，本期主题是：化学——我们的生活、我们的未来，从生物化学、绿色化学和化学工业的创新三个视角带领大家共同感受化学的神奇。
我们身边的绿色化学
主讲人：吕龙
中国科学院上海有机化学研究所研究我做的化学秀是可乐喷泉，是用曼妥思糖果把它用线串起来，再放入可乐瓶中，产生的喷泉效应，是什么原理呢？可乐是饱和二氧化碳的水溶液，二氧化碳饱和的时候形成比较稳定的过程，可乐摇一摇打开会喷一下，就是破坏二氧化碳表面的张力，使可乐中的二氧化碳瞬间大量释放，造成可乐瓶内的气体压力骤然上升，最终爆发。曼妥思糖里含的阿拉伯胶是一种介面活性剂，具有丰富的表面多孔结构，可以减少可乐表面的张力，可乐是微酸性的，糖是微碱性，于是产生酸碱反应。此外，两件衣服上被同样的可乐淋湿后，一件湿透另一件还是干的，这实验告诉我们 ，其中的一件衣服是会呼吸的，材质是是聚四氟乙烯，为什么可以防水，又可以防油，还可以透气，可以呼吸呢？那就是化学。
什么是化学？
化学是魔杖，Magic。化学从远古时候就有了，开始有火的使用，中国有阴阳五行学说，以及后来的古代原子论，中国的炼丹术、欧洲的炼金术，这都是的化学运用。18世纪开始成为系统的科学，化学学科是一门以实验为基础的自然科学。化学是研究物质的组成、结构、性质及变化规律的科学。世界是由物质组成的，化学研究他们的变化规律，是人类用于认识和改造物质世界的手段。化学是一门历史悠久而富有活力的学科，和社会发展密切相关。当今化学已经深入到生活的各个方面，与人类的衣食住行，以及能源、信息、材料、国防、环境保护、医药卫生等有密切的联系，是社会文明重要的标志之一。正是因为化学的贡献，联合国科教文卫组织把2011年作为国际化学年。由于化学研究中的不确定性和人类认知的局限性，化学为人类做出了巨大贡献的同时，也给人类健康和人类赖以生存的环境带来了负面的影响。要面对化学存在的问题，一定要由化学工作者来解决。比如水的污染、大气的污染、白色污染。有一本非常著名的书《SILENT SPRING》，作者唤醒了人类认识化学给社会带来的污染。化学工业为人类文明做出了巨大的贡献，但是化学存在的问题要自我救赎。绿色化学是从源头就根治，从反应物就是无害的，溶剂是无害的，产生环境友好的产品。
从衣食住行看身边的绿色化学
1991年美国化学会提出绿色化学的概念，得到了全世界的广泛响应。1995年美国总统克林顿颁发了首届“总统绿色化学挑战奖”。1999年世界第一本名为“绿色化学”的杂志在英国创刊。绿色化学也叫环境友好化学，特点首先是充分利用资源和能源，采用无毒、无害的原料，最好是可再生的原料，在无毒、无害的条件下反应，以减少废物向环境排放的数量。提高原子的利用率，力图使所有作为原料的原子都被产品所吸纳，实现零排放。
看看身边有哪些东西跟绿色化学有关，GORETEX面料是迄今为止品质最高的防水、防风、透气面料，在这个薄薄的面上有90亿个小孔，一滴水比这些微细孔大2万倍，这个孔又比人体的汗气分子大700倍。这个微孔层层叠起来，风很难吹进去，这材料具有特殊的稳定性。制备这种高性能的材料需要使用到PFOA，除此以外要有织物整理剂，可以防水、防油、防污、抗顶点功能，广泛用于高档织物面料。但随着人类对科学的发展，人类对认知的进步，发现有两大危害，一是性质太稳定，持久性非常长，半衰期达到40年；二是这物质有毒害，会对肝脏、神经、心血管产生影响，生物积累性也很难被生物降解，鱼类对PFOS的浓缩倍数为500-12000倍。2008年欧盟全面禁止PFOA的生产，我国也参与了这个活动。现在世界都在研究PFOS和PFOA的替代产品，美国、日本、欧洲都在研究，最近我国科学院上海有机化学组准备共同开发PFOS、PFOA的替代品。
再谈谈身边“食”中的化学。农药工业在我国粮食安全问题中发挥着重要的作用，农药业同样面临着认知的局限性，高毒、高残留农药给人类健康和环境带来了负面影响。目前为止，欧盟禁用的农药有效成分超过450个。随之而来很多东西被禁用，我们该怎么办？就要使用绿色农药，对人类健康安全无害，对环境生态友好，有高选择性，有绿色的工艺流程。生物农药同样存在安全性问题。
现在人类赖以生存的地球出现了问题，臭氧层的保护和温室效应。1928年美国华化学家托马斯米德奇雷用合成法制造发明了氟利昂，加注在空调里，为人类生活发挥了巨大的作用。但是到了1974年科学家们又发现，氟利昂会破坏臭氧层。所以1985年开始提出禁止使用氟利昂，现在说的“无氟空调”，是氟利昂134a，F134a也有问题，有温室效应，如果大量使用停留在空气中会造成气候的变化，它的使用寿命也进入倒计时。
最后说一下“行”，行就是开车。开车过程中排出废气，对人体健康造成影响。目前真正关注的是质子薄燃料电池，也叫氯电装置，通电后一边产生氯气，一边产生氢气，燃料电池是把这个装置倒过来，把氧气、氯气通进来，排出水变成电能，它唯一的产物是水，所以叫零排放的电动车。
最后，虽然化学有问题，我们也离不开化学，只有绿色化学技术是人类未来的希望，用白春礼院长的一句话说，绿色化学将引起化学化工生产方向的变革，绿色化学是化学学科的发展方向，从环境角度看，绿色化学从源头上消除污染与生态环境协调发展的更高层次的化学，从经济角度看绿色化学要求合理使用能源资源，降低生产成本，符合经济可持续发展的要求。
生物化学与分子生物学——化学的延伸
主讲人：王恩多
中国科学院院士、第三世界科学院院士、中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞研究所研究员今年是国际化学年，首先介绍生物化学与分子生物学基本的情况。生物化学是生物学的分支学科，是研究生命物质的化学组成、结构及生命活动过程中各种化学变化的基础生命科学。分子生物学是在分子水平上研究生命现象的科学，通过研究生物分子的结构、功能和生物合成等方面来阐明生命现象的本质。
科学研究是推动生物化学和分子生物学发展的动力。1901年来自然科学领域的诺贝尔奖有550名左右，其中200位诺贝尔奖得者涉及到生物化学和分子生物学。重要的生物大分子是蛋白质、核酸和脂质。蛋白质在1838年由荷兰化学家发现，1864年第一次制备成蛋白晶体。人类对蛋白质的认识已经有近20 0年的历史，但到现在还有很多谜。20 06年蛋白质科学研究被列为我国基础研究中长期规划中的重大项目。蛋白质是细胞的主要组成部分，构成和修补身体组织，占人体重的16.3%，干重的42%-45%。蛋白质能构成生物活性物质，还能够调
节人体的渗透压，供给能量。如果生物体的蛋白质异常，就会产生生物体的异常，引起疾病。从历史来说1902年Fischer证明了蛋白质是肽，把蛋白质分解后发现有20种氨基酸，氨基酸和氨基酸之间通过肽链连接，肽链和肽链的连接形成了多肽。氨基酸通过不同的组合，可得到千千万万种蛋白质，来生成各种生物体。蛋白质有20种氨基酸按一定的顺序由肽链连接起来。1951年Sanger首次分析了胰岛素的氨基酸序列，连接方式不同，来源的胰岛素的序列也会有差异，氨基酸的序列决定了它重要性。
中科院上海生化所的科学家们就提出合成牛胰岛素。从1958年到1965年合成牛胰岛素，这是我国唯一可以获得诺贝尔奖的项目，由于文化大革命没有得诺贝尔奖，但确实属于国际领先的科研项目。上海浦东有同步辐射光源，为上海和全国蛋白质科学研究提供更好的工具。
酶是生物催化剂，催化剂如是化学小分子物质，就会带来污染。而生物催化剂大部分都是蛋白质，一般不会产生污染。加酶这催化剂可使化学反应非常快。随着科学的发展，发现一些是核酸，生物体当中有几千种酶催化的各种反应来维持生命的正常运转，酶在人体当中起的作用是非常大的。
什么是基因？这是生物学当中非常重要的一件事。提到基因一定要讲核酸，核酸是一类重要的生物大分子，含磷很丰富。我们发现有两类不同的核酸，一叫RNA，一叫DNA，RNA在细胞质上，DNA在细胞核或染色体上。RNA是核糖，DNA是脱氧核糖。DNA有两种功能，有复制功能以及遗传信息的表达功能。DNA结构的遗传学意义是什么呢？它可以自我复制，根据DNA的模板可以复制出完全相同的DNA分子，所以碱基顺序就是携带遗传信息的密码。DNA双螺旋的发现导致了生物学的两次革命，一次是分子生物学的革命，一个是基因组学的革命。RNA在蛋白质合成过程中起了非常重要的作用，它的碱基互补，如果加进去的是核酸，而不是脱氧核苷酸，会合成另外一条链，就是RNA，这样就可以根据基因来复制另外一条RNA。碱基是四种，A、C、T、G，盐基酸有20种，只有三个碱基合在一起才能生成一个密码，这样就可以有46个密码子，来编码氨基酸。后来又有两个科学家把64个基因密码全部破译了。蛋白质和核酸是两种分子，怎么连接起来的，必须有接头。就是通过一个转移核糖核酸。现在应有一个初步的概念，就是中心法则是DNA，DNA可以通过复制的办法得到性史核酸，又通过TRA的接导产生蛋白质，从RNA变成蛋白质，这一步就是把核酸的语言变成蛋白质的语言，叫翻译。从DNA到蛋白质的这条路是可以通的，但是反过来是不可以的。
合成蛋白质的机器是什么呢？是核糖体，核糖体是合成蛋白质的机器，首先要有MRA的模板，是DNA通过转入得到的，完全携带DNA分子上所有的遗传信息。核糖体里面有三分之一是蛋白质，三分之二是RNA。通过这个工作能够把遗传信息变成蛋白质。我们人体当中每分每秒都在生成蛋白质，到底DNA的序列是怎么样、怎么做？英国剑桥大学Sanger建立了DNA序列测定方法，并得了两次诺贝尔奖。人类的全基因组都解出来了，大概有5万个基因。还发现了一系列的作用DNA的酶，。
这里我要特别讲一下链式聚合反应。DNA两条链是一样的，如果用DNA聚合，在高温下可以一个循环接一个循环的做下去。尽管开始只知道一点点微量的基因，但是通过链式聚合反应，通过PCR反应可以扩增。所以如果一个罪犯有一滴血流下来了，科学家可以通过PCR反应，把你的全基因组拿到，把犯罪揪出来，这是非常奥秘的。
现在生物医药、许多遗传疾病机理的治疗，以及药物、环境的保护等，这类成果已经深入到生活中。现在已经解析了各种生物体的基因组，研究具有重要功能的蛋白质或基因，寻找药物设计的新靶点，设计新药。很多疾病都是因为基因上面一个碱基的突变，而导致产生蛋白质的某个氨基酸病变。你有没有在遗传上可能得这种疾病，就以通过基因的检测预测。转基因植物超过4500种，其中已批准商业化种植的接近90种，目前常见的转基因食品有玉米、大豆、西红柿、油菜、花卉等，有很多可以改善作物的品质。
科学研究使人们对客观世界的认知由未知到已知，趋于正确。科学研究推动生物化学和分子生物学的发展，最终为人类服务。只有扎实的工作，探求科学真理，才能有所发现，有所创造。科学是循序渐进的，知识是积累的，个人的贡献只是在某一点上的。科学研究的成果推动社会的进步，逐步改进和提高人类的生活质量。我们科学研究最终的目的还是要为人类服务。
化学与生活：化学工业的创新
主讲人：马莲
中国科学院上海有机化学研究所研究员吕龙，巴斯夫（中国）有限公司科学技术合作部总监、中国化学会理事
科学是无处不在的，化学是充满魅力的，无穷的探索，总会有不断出现新的结果，让你感觉惊奇，想继续探索下去。
化学是永远常青的，英文的化学词是Chemistry，通过原油、天然气、水、矿石、空气等在一起会做出化学体。化学在近代文明史上做出了杰出的贡献，大概有200多年的历史。举一个最典型的例子——合成氨。合成氨开创了人类的化肥时代，有了氨后我们就有了化肥，有了化肥提高了人类的生活质量，给农作物提供了更多的营养。这在1931年获得了诺贝尔奖，并且以这两位科学家的名字命名了合成氨的反应，叫哈勃—布什反应。大家都穿牛仔裤，这个颜色是靛蓝。以前靛蓝是很高贵的颜色，是从植物种提取的，在欧洲只能被贵族使用。巴斯夫把这种方法工业化了，从此以后人人都可以穿牛仔裤，都可以用这种颜色。这个化合物今天衍生出非常漂亮的颜色。传统的燃料可以变成有机电子材料，今天用的手机、数码相机，在它的小屏幕上所显示出来的颜色称之为OLED，有机电子颜色和燃料、原料是一样的，离不开化学。
世界一直不断面临新的挑战，化学为应对各类挑战将要做出更杰出的贡献，相信为未来同样会做出贡献。到2050年全球将有90亿人口，人类要衣食住行，而且还要健康，要保证高质量的生活就离不开化学。
2025年，有67%的人口将居住在城市，怎么样让我们的生活更舒适、更环保、更节能，还是需要新的化学品。去年是世博年，其中有一个“汉堡之家”的馆，叫它“被动房屋”，他通过创新性的建筑材料，如墙体用绝热材料，窗户用记忆型材料，这样房屋里面就不用装空调了。我们曾经跟上海政府合作，在虹口区做一个改造，在一栋房子没有任何空调机，采用节能环保的建筑材料，如果上海所有的房屋都用这种节能材料做，就可省多少电。同样适用于沙漠里面建这类的房子，集中世界上所有最好的环保材料，在屋顶上有一层反射涂层，太阳光照射的时候会把它反射掉，不会那么热。而冬天又可以吸收太阳所带来的热量。
到2020年世界上将有12亿车，汽车本身要耗能，还会有排放，怎么来解决这个问题。在汽车的尾气排放当中加入催化单元，这样排出来的尾气是经过催化剂处理的，就不会有有害的气体。所有这些都是化学在致力于不断的努力，带来能够解决这些问题的方案。2008年的奥运会、2010年的世博会，都是非常好的机会来展示中国人对环保新理念的运作，奥运会会上我们展示了很多电动汽车，世博会也应用了很多电动汽车，都是节能环保型的，还有燃料电池、锂离子电池，所有的这些新技术、新材料都是离不开化学的。
有什么样的可能性能够让我们更好的、更多的为下一代，或者下一代的下一代留有资源，以便他们也能够分享这些大自然或者和平带来的好处。到2030年预计基础能源需求会增加50%。能源消耗过度，生态平衡将会被破坏，作为化学工作者，从大学、研究所、到工业界，都在共同的努力，二氧化碳作为一种废气如何能充分的利用起来。自然界中的植物会吸收二氧化碳，同时化学方法可以得到直链的聚碳酸脂，可以做成饭盒、纸杯、纸杯，是可生物降解的，不会
造成污染，同时也把二氧化碳进行一次使用。现在有太阳能，太阳能转换跟燃料的化学原理是类似的，都是光和电的转换。
化学在我们的生活中是无处不在的，想提高生活质量，保护地球，离不开化学。化学在不断的创新当中保证化学工业的持续发展。如果只追逐利润，而不去考虑怎么样保护环境，化学就很有可能被大家认为是污染源，化学工业界也意识到这些，在1992年由全球12家大型化学跨国公司自发成立了“责任关怀”的协会，设定了一些自律的规定，首先要保证这个行业的从业人员自身的安全和健康，并保证所有的工艺是安全的，不出危险。第二是化学产品的物流的安全，化学产品在运输途中化工厂有责任和义务来保证整个运输途中不出危险，万一出现危险应该如何解决，有24小时紧急电话。另一个是产品本身的监管，化工厂的责任是要求客户按照所提供的安全方法来使用这个产品。最后还有污染防治，A+B得出C，即使有D也不害怕，可以把D转化成其他的产品。以前说化学产品从摇篮到坟墓，现在化学产品是从摇篮到摇篮，这是所有生活在地球上人的权利，也是义务。
今天说了很多的例子都是跟化学产品相关的，那怎么才能够创新，才能够可持续发展？我们的创新动力来自三个方面：一是有技术要求，纳米技术、生物技术，有这些新的技术如何运用到新的产品以及现有的产品当中去；二是市场需求；三是社会的法律法规，要把下一步创新和可持续发展侧重在五个方面领域中，从学科来讲是植物生物技术、白色生物技术、原材料改变、纳米技术、能源管理，通过这些创新保证能够在不断为人类创造更多的、新的产品的同时，尽量减少它可能带来的负面效应。
当今世界，你不可能不需要化学品，但要更负责任、更环保、更有效的使用化学产品。化学和化学工业让人类的生活更加丰富多彩、更加舒适，创新是化学工业和及其可持续发展的基础，化学和化学工业通过创新会给人类带来更光明的未来，化学、化工带来是无形的东西，也会给人类带来文明和进步。
