化学与其他的学科之间的交叉.docx

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化学与其他的学科之间的交叉

1.学科交叉的概念及由来

交叉学科是指由不同学科、领域、部门之间相互作用，彼此融合形成的一类学科群。

其宽泛的含义也包括:

边缘学科、综合学科、横断学科等在内。

交叉学科既是一个学科概念，同时一又是一个历史范畴。

从学科发展的历史长河来看，新学科的产生大都是传统或成熟学科相互交叉作用产生的结果。

新学科在经历一段时一期的发展之后，将成为成熟的学科，进而有可能再与其他学科交叉作用发展而产生新的交叉学科。

20世纪下半叶,各类交叉学科的应用和兴起为科学发展带来了一股新风,许多科学前沿问题和多年悬而未决的问题在交叉学科的联合攻关中都取得了可喜的进展。

随着越来越多交叉学科的出现及其在认识世界和改造世界中发挥作用的不辩事实,交叉学科在科学领域中的生命力都得到了充分的证明。

交叉学科起源于现代科学高度、精度发展的时代,现代科学技术活动一端深入到生产领域,扎根于经济建设,另一端则直接涉及上层建筑,与社会发展等交织在一起,并相互作用、相互影响。

复杂的问题又多居于学科的交叉地带,学科的交叉自然而然地形成和成熟。

当科学技术累计到现代文明的高度,科学研究所要解决的问题的形式发生了深刻的变化,科学研究已由主要解决单个的互不相关的问题过渡到研究问题群,并进而发展为以研究问题堆为主要研究模式。

这样,研究行为就必然由局限于一个学科内或一学科内的某个分支领域发展到涉及一学科内的多个分支,或邻近学科空间,进而扩展到多学科之间。

当社会经济发展到一定时期,社会科学、生命科学、机电工程、物理化学等等各个领域的问题变得越来越复杂,问题间的内部联系更为盘根错节,每类问题得出的不同视角的结论似乎都有新的发现,但又难以集结为系统的依据,这样的情形正是产生新的交叉学科的动力,从而在交叉学科内重新规划和完善方法和体制的系统,发现解决问题的理论和方法。

这就是说,只要社会发展不停止,就会不断有产生交叉学科的需求。

2.化学与其他学科的交叉

2.1材料化学

材料科学的发展离不开化学。

从无机金属材料非金属材料到有机高分子材料再到复合材料，我们看到了化学在材料领域里广阔的发展空间。

没有化学就没有材料科学，是化学与物理的完美结合没有化学就没有材料，尤其就没有新的功能材料美国科学家AFHeeger，AGMacdiarmid和日本科学家HShirakawa因为发现聚乙炔（Polyacetylene）的导电性而获得2000年诺贝尔化学奖，此后又合成了一系列导电高分子材料其他如液晶电视（被动显像）、电致发光显示屏（主动显像）、光纤、锂电池、镍氢电池、压电陶瓷等等。

一些无机新型结构功能材料,象微电子材料、光导超导材料、导电陶瓷、纳米复合材料等近年来也一直大踏步前进,可以预见它们的发展前景是非常广阔的。

但是现在合成的许多高分子材料使用后遗留下来的垃圾由于不能自然降解而产生环境污染，这必然是未来材料化学必须考虑的很重要的一个方面。

要不能自动降解，要不能方便的再重新回收利用。

而随着纳米技术的飞速发展，纳米材料的微观特性和高校活性必将促使纳米材料蓬勃发展，画上浓墨重彩的一笔。

不管是对已有材料性能的改进，还是研发新型材料，化学都是这个领域不可缺少的重要一环。

2.2生物化学

自从1953年J．Watson和Ｆ．H．C．Crick在《自然》杂志上提出DNA双螺旋结构模型以来，生物学家就一直致力于阐明生命过程，但是当它涉及到如何去调控这一过程，则是留给化学家们的一个艰巨的挑战。

比如一氧化氮分子在人体内的作用表明了化学过程是生命活动的基础。

人怎样才能减慢衰老，或者夸张地说，怎样才能避免死亡，这都是化学家们应该思考的问题。

化学生物学正在成为一个重要的新兴交叉学科它是化学与生物学和医学等学科领域相互交叉相互渗透的产物化学的工具和方法包括合成的结构的和分析的被用于研究生物和医学问题9分子生物学的手段也被用来解决化学问题其主要策略是采用天然的或人工设计合成的小分子作为探针改变生物分子的功能探讨各种生理和病理过程中分子识别和信号通路的分子机制这些研究得到的知识不仅有助于阐明细胞过程的细节和调节机制增进在分子水平上对生命的认识而且对于创制和发展新颖药物都具有重要意义。

化学生物学的中心任务就是用小分子达到对生命过程的调控。

需要化学家研究的领域：

1.发现并研究新的生物活性分子2.DNA序列虽然测定已经解决，人类基因组（HumanGenomeProject，HGP）计划也已经完成，但其功能和作用还几乎属于空白3.酶结构和催化功能的关系研究4.通过化学方法合成生物活性分子并模拟生命过程和生命体系的合成

2.3能源化学

随着世界人口的增加,人类社会对能源的消耗在不断增加。

据估计,到2200年世界天然气和石油都将耗尽。

煤也是不可再生资源。

这样,化学面对这两个重要问题。

首先是化工节能。

众所周知，化工企业大多数是高能耗、高污染的企业，这与可持续发展战略是不相符的。

所以节能装置的设计、更高效催化剂的寻找与合成、更低能耗的新工艺路线的设计以及反应过程中一些反应能比如余热的利用等都将成为化学家们急需解决的问题。

其次是新能源的开发和利用。

像风能、太阳能、生物能、核能、水利发电等的利用都离不开化学的巨大作用。

而我们也可以大胆设想，我们能不能通过地质化学的研究，了解煤和石油的生成机理，然后寻找由催化化学家寻找适当的催化剂和条件将原本需要数十万年乃至更长时间的地质过程在短时间内实现？

如果这一途径实现，必将使能源危机得到缓解甚至彻底的解决。

2.4绿色化学

绿色化学是指在制造和应用化学产品时应有效利用（最好可再生）原料,消除废物和避免使用有毒的和危险的试剂和溶剂，即利用化学的原理、技术和方法减少或消灭对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂、试剂、产物、副产物等的使用和产生。

污染和废弃物大都来自化学并且极为迅速的消耗不可再生资源。

GreenChemistry的核心就是要利用化学原理从源头消除污染。

绿色化学是指化学反应和过程以“原子经济性”为基本原则，即在获得新物质的化学反应中充分利用参与反应的每个原料原子实现“零排放”。

改造或创新化学反应过程，能源和洁净煤化学技术，资源再生和循环利用，综合利用的绿色化学生化工程例如：

PS聚苯乙烯泡沫生产中用二氧化碳代替氟氯烃、煤电厂采用等离子除硫技术防止二氧化硫排放产生酸雨，等等

它是一门新兴学科，诞生时间不到十年，但是对人类的影响去不可低估。

绿色化学化学家们需要既能利用化学在不产生危害的基础上去合成新物质去造福人类，也要能解决一些环境问题，给人类的生产生活创造一个更健康的的环境。

不得不说这是一个很高的要求和挑战。

加上原子经济性原则和能耗低的要求，我们现在还要做出很大改变，但是确是很有意义的！

2.5物理化学

物理化学是以物理的原理和实验技术为基础，研究化学体系的性质和行为，发现并建立化学体系中特殊规律的学科。

随着科学的迅速发展和各门学科之间的相互渗透，物理化学与物理学、无机化学、有机化学在内容上存在着难以准确划分的界限，从而不断地产生新的分支学科，例如物理有机化学、生物物理化学、化学物理等。

物理化学还与许多非化学的学科有着密切的联系，例如冶金学中的物理冶金实际上就是金属物理化学。

2.6化学与本专业（自动化）的交叉

随着化学和自动控制技术的进步,化工生产过程逐渐实现了自动化,人们可通过自动化装置来进行化学生产,自动化装置与工艺及设备已经结合为一个整体。

比如PLC控制系统的技术就已经发展得较为成熟,在工业生产过程中得到广泛应用了。

在化学生产中，温度等条件对反应有着很大影响，而由人手工操作，会有工人工作条件艰苦、工作压力大、反应所处条件波动大等缺点。

而通过自动化装置控制，可以达到目的。

自动化装置有可靠性高和适应恶劣工业环境能力等优点，很适合和化工生产合作。

2．7环境化学

1995年Nobel化学奖授予M.Molina（墨西哥）、S.Rowland（美）、P.Gutzen（荷兰），因为他们提出了平流层臭氧破坏的化学机制。

并且直接导致了南极臭氧洞的发现和《蒙特利尔议定书》的签订。

环境分析化学，没有分析化学家就没有现代的环境科学。

分类：

大气环境化学、水环境化学、土壤环境化学、元素化学循环、化学污染控制、环境计算化学。

2.8化学纳米工程学

机械加工以连续介质理论为基础,化学则侧重于对离散的化学键的操作,因而两者有本质的区别。

但在纳米加工领域,机械学面临着化学键的不连续性。

当前超精密加工的精度已经达到纳米尺度,由于纳米材料的特殊性质,微纳制造所依赖的基础理论也随着加工工件尺寸的缩小经历着由量变到质变的过程,因此,传统的机械学与化学在纳米尺度的交叉催生出新的学科———化学纳米工程学。

该领域的基础研究将有助于我们提升纳米制造技术,增强国家制造业的核心竞争力。

2.9药物化学

药物化学（MedicinalChemistry）是建立在多种化学学科和生物学科基础之上，设计、合成和研究用于预防、诊断和治疗疾病药物的一门学科。

研究内容涉及发现、发展和鉴定新药，以及在分子水平上解释药物及具有生物活性化合物的作用机理。

此外，药物化学还涉及药物及其有关化合物代谢产物的研究、鉴定和合成。

药物化学部分主要包括药物的名称、化学结构、理化性质及构效关系等方面容。

药物化学不同于化学。

举个例子：

同样是95%浓度的乙醇，化学级的乙醇和药用级的乙醇有什么区别？

药用级乙醇对于乙醇挥发物中对甲醇、异丙醇残留有严格的要求。

生产级则无要求，分为分析纯及试剂纯，分析纯为“A.R”常用于液相色谱等精密仪器的含量测定，实际纯则用于日常的理化分析及大生产的提取分离纯化工作。

药物化学在制药方面有重要作用。

2.10计算化学

分类：

量子化学、数学化学（含化学计量学、拓扑结构等）、药物设计与对接、分子设计与分子模拟

3.新世纪的化学发展

21世纪化学的四大难题：

1.化学的第一根本定律——化学反应理论和定律2.化学的第二根本定律——结构和性能的定量关系3.纳米尺度的基本规律4.活化分子运动的基本规律

21世纪化学的11个突破口：

1.新的合成方法学2.纳米化学、耐米材料和分子器件，纳米表面化学、高效纳米催化剂设计合成及应用3.稀土化学4.能源科学中的化学问题5.生命和医药科学中的化学问题6.生态环境科学中的化学问题7.信息科学中的化学问题8.分析化学的十化“微型与芯片化、仿生化、在线化、实时化、原位化、在体化、智能与信息化、高灵敏化、高选择性化、单原子化和单分子化”9.化工化学复杂体系中的多层次、多尺度效应及其规律和方法学研究10.理论化学和计算化学的基础及应用研究11.化学信息学

21世纪化学研究的六大趋势：

1.更加重视国家目标，更加重视不同学科之间的交叉融合2.理论和实验更加紧密结合3.在研究方法和手段上，更加重视尺度效应4.合成化学的新方法层出不穷5.分析化学已发展成为分析科学

从以上几个化学与其它领域的交叉发展可以看出，在未来，化学也不再局限于单纯的与某个学科交叉，而是更大范围内的合作。

这种跨多领域的综合发展也对我们的综合素质、基础知识和综合运用能力提出了更高要求。

化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大朝阳科学（sun-risesciences）都有紧密的联系、交叉和渗透的中心科学。

20世纪的化学取得了辉煌的成就，21世纪的化学将在与物理学、生命科学、材料科学、信息科学、能源、环境、海洋、空间科学的相互交叉，相互渗透，相互促进中共同大发展。

未来化学学科的发展，主要是在理论和交叉领域这两个方面。

理论上还有存在许多现有理论需要我们去完善，还有许多现在无法解释的问题需要新的理论去解释，还有许多难题亟待解决才能更好的应用从而造福人类。

在交叉领域，化学与材料科学、生命科学、能源科学、环境科学和自动化控制理论等学科相互渗透、相互影响、相互合作，给化学的发展带来了新的契机。

参考文献：

1.郑晓瑛.交叉学科的重要性及其发展.北