校本教材《快乐的化学读本化学学科发展》.docx
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校本教材《快乐的化学读本化学学科发展》
校本教材《快乐的化学读本-化学学科发展》
发布者张兴前
化学学科从近代化学算起已有两个世纪的历史。
它与物理学和生物学都是自然科学中的主要基础学科。
它们都有各自的使命和传统,随着发展,由于在其内容深处的盘根错节,表现出相互之间越来越密切的关系。
化学发展到今天,已经成为与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大朝阳科学都有密切的联系、交叉和渗透的中心科学。
第一章近代化学——基本理论的建立
背景特点：
近代化学发轫于18世纪和19世纪之交提出的元素学说（拉瓦锡,1774）和原子学说（道尔顿,1803）。
此前多个世纪都曾进行过与化学有关的实践,其中包括炼丹术和炼金术。
从这些盲目实践中得出了教训,要求在从事物质转化探索的同时注视物质的组成问题,元素和原子学说应运而生。
化学由此进入了持续至今以原子论为主线的新时期。
从1960年起,康尼查罗采纳了阿佛加德罗假说,理顺了当量和原子量的关系,并改正了当时的化学式和分子式,从而使原子-分子论得以确立。
原子-分子论指明:
不同元素代表不同原子;原子在空间按一定方式或结构结合成分子;分子通过结构决定其性能;分子进一步集聚成物体。
这个理论基础在化学的发展进程中不断丰富、深化和扩展,但并无颠覆性变化。
第一节化学理论发展的重要轨迹
1661年波义耳在其著名论文“怀疑派的化学家”中提出“元素”的概念，从而化学被确定为一门学科。
1803年道尔顿提出原子论。
1811年阿伏加德罗提出了“分子”的概念。
1860年康尼查罗提出了原子--分子论。
1870年门捷列夫发现了元素周期律，奠定了化学学科的理论基础。
19世纪末化学的重要分支（二级学科）分析化学、无机化学、有机化学和物理化学相继建立，这种分工大大推动了化学研究的深化。
20世纪量子力学的诞生，近邻学科特别是物理学、生物学和数学的发展，以及各种新的实验技术及精密仪器的发明和计算机的出现，使化学学科得到迅猛的发展。
第二节物理学在两个发展时期中与化学的关系
物理学学科的发展经历两个时期:
从质点运动和波动这两极来反复研究热、光、声、电、磁等效应的经典物理和揭示了原子内部结构及波-粒二象性后的近代物理。
在经典物理时期,化学与物理之间曾有过一种约定俗成的分工,其要点是化学要追究物质的组成,而物理在研究中则需回避物质组成的变化。
双方居然取得了种瓜得瓜、种豆得豆的效果：
迷恋于追究物质组成的化学在19世纪中建成了原子-分子论,发现和合成了众多化合物,揭示了元素周期系和碳的价键四面体向以及关于结构与性能关联等规律,对物质世界的认识大为开扩和深入,并为资源的开发和利用提供了科学依据。
但化学学科当时若要再深入一步就需要迎接外来的契机了。
幸好摆弄热、光、声、电、磁等效应的经典物理也取得了累累成果，为机、电和仪表工业等的奠立提供了理论基础，并从19世纪末起终于在揭示原子的内部结构和波-粒二象性后将牛顿力学上升到量子力学,并为科技的研究和开发提供了一系列新手段。
近代物理对化学的进一步发展,不论在实验和理论上都提供了新的起点。
X射线等电磁波以及同位素和放射性等的广泛应用是这个新时期的重要标志。
X射线衍射“喧宾夺主”,成为测定结构的主要方法。
在原子结合成分子的层次上,牛顿力学无能为力,正好需要量子力学，量子化学应运而起。
第三节生物化学之崛起
生命科学是从现象到本质研究生命的学科,它的核心是生物学,包括农学和医学等学
科。
生物学在19世纪后半期中接连出现了三大突破性发现,它们是:
进化论（达尔文,1859）;细胞学说（魏尔啸,1860）和遗传定律（孟德尔,1865和德符里斯,1990）。
它们抓住了生命和有关现象中最普遍和最特征的事物,为生物学奠立了学科框架。
但生物学要在此基础上进一步发展,特别是要揭示更多的共性和本质,极大限度地消除其神密色彩以及解决农业和医药方面的问题,就必须从化学来研究生命和生物,并将认识的层次从细胞深入到分子。
这时,化学在奠立了原子-分子论后,又经过了几十年,已能在分析和合成以及研究分子的结构等方面都有了长足的进展。
比起1828年韦勒从氰酸铵制取尿素的工作,水平和意义已不可同日而语。
这样就从有机化学中开辟了生物化学研究方向,并逐渐形成了生物化学学科。
它是将生物学引向分子水平的先驱学科。
现选列与本文内容密切相关的生物化学重大成果如下:
E·费希尔（1907）奠立蛋白质化学;A.Todd（1944）奠立核酸化学;O.T.艾弗里（1944）确定基因的载体是DNA,而不是蛋白质;A.J.P.马丁和R.L.M.辛格（1944）发展出纸色层分析技术;E·夏尔加夫（1950）得出DNA中胸腺嘧啶（A）与腺嘌呤（T）和胞嘧啶（C）与鸟嘌呤（G）的等分子数关系以及F·桑格（1953）测定胰岛素中各种氨基酸残基的定量组成,并进一步测定其顺序。
生物化学研究了动物、植物以及微生物等各种生命形态的化学特征，发现了形形色色的生物具有令人惊异的共性。
生物体的基本单位是细胞,而构成不同形态生命的细胞具有极为相似的分子设计。
第二章现代化学——物质结构理论和合成化学
背景特点：
至19世纪，由于实验中发现的化合物逐渐增多，化合物被分为无机化合物和有机化合物。
有机化合物是指碳、氢化合物和它们的衍生物。
衍生物是指一种化合物分子中的原子或原子团被其他原子或原子团取代而衍生的产物，例如乙烷分子中有一个氢原子被原子团一OH取代而衍生成乙醇是有机化合物，C。
也是有机化合物。
非有机化合物即是无机化合物。
研究有机化合物的化学就是有机化学，研究无机化合物的化学就是无机化学。
同一时期里，随着化学实验的发展和工业生产的需求，分析化学独立作为化学的又一个分支学科出现。
分析化学又可分为定性分析化学和定量分析化学。
19世纪末、20世纪初，物理学中出现了一系列的新发现，经典物理学受到冲击，化学得到发展而步人现代化学。
1895年德国物理学家伦琴发现X射线。
1896年法国物理学家贝克雷尔发现铀能自发地放射射线。
1897年英国物理学家汤姆生发现电子。
1898年波兰出生的法国物理学家居里夫人物质的放射性。
在诸多科学家的努力下，逐渐揭开了原子内部的奥秘，创立了崭新的测定物质结构的多种物理方法，促进化学向微观、理论、定量的方向发展。
此外，一些与物理、化学领域相近的边缘学科，如物理化学、生物比学、高分子化学、环境化学、地球化学、海洋化学等先后出现，使化学科学进人了更专门的研究领域。
第一节20世纪化学学科基础研究的重大突破
♦放射性和铀裂变的重大发现
1903年居里夫妇因发现了放射性比铀强400倍的钋，以及放射性比铀强200多万倍的镭为此而获得了诺贝尔物理学奖。
1911年为表彰居里夫人在发现钋和镭、开拓放射化学新领域以及发展放射性元素的应用方面的贡献，居里夫人被授予了诺贝尔化学奖
1908年卢瑟福因从事关于元素衰变和放射性物质的研究,提出了原子的有核结构模型和放射性元素的衰变理论而获得了的诺贝尔化学奖。
1935年约里奥-居里夫妇因第一次用人工方法创造出放射性元素而荣获了的诺贝尔化学奖。
1938年费米因人工合成了60种新的放射性元素而获得了的诺贝尔物理学奖。
1944年哈恩因发现了核裂变现象而获得了诺贝尔化学奖。
1942年费米领导下成功的建造了第一座原子反应堆。
1945年美国在日本投下了原子弹。
♦化学键和现代量子化学理论的建立
鲍林在化学键本质研究和应用化学键理论来阐明物质结构而获1945年诺贝尔化学奖。
经许多化学家近半个世纪的努力，现代量子化学理论不断发展和完善，化学进入实验和理论计算并重的时代。
化学家们由浅入深，认识分子的本质及其相互作用的基本原理，从而让人们进入分子的理性设计的高层次领域。
♦创造新物质——合成化学
近百年来化学家（特别是有机化学家）已经设计和合成了数千万个化合物，几乎又创造了一个新的自然界；同时还发现了大量的新反应、新试剂、新方法和新理论。
1912年格林尼亚因发明格林尼亚试剂，开创了有机金属化合物在各种官能团反应中的新领域而获诺贝尔化学奖。
现代有机合成化学是经过20世纪近100年的研究、探索发展到今天已可以合成像海葵毒素（Polytoxin）这样复杂的有机分子（具有64个手性中心的7个骨架内双键的分子，存在271≈2×1021个异构体）。
20世纪合成化学的辉煌成就
♦高分子科学的建立和发展
20世纪的人类社会文明的标志之一是合成材料的出现。
1953年H.Staudinger因提出了高分子这个概念，创立了高分子链型学说建立了高分子粘度与分子量之间的定量关系，从而获得了的诺贝尔化学奖。
1963年Ziegler和Natta因发现了配位聚合反应和实现了丙烯的定向聚合而共获了诺贝尔化学奖。
1974年Flory因在高分子性质方面的成就也获得了诺贝尔化学奖。
♦化学动力学与分子反应动态学的发展
揭示化学反应的历程和研究物质的结构与其反应能力之间的关系，是控制化学反应过程的需要。
1956年由前苏联的谢苗诺夫和英国的欣歇尔伍德在化学反应机理、反应速度和链式反应方面的开创性研究而获诺贝尔化学奖。
同时研究快速反应的技术得到发展，现在可以研究十亿分之一秒内发生的化学反应。
美籍华人化学家李远哲及美国化学家赫希巴赫首先研制成功能获得各种态信息的交叉分子束实验装置，从微观角度来认识化学反应，发展了分子反应动态学，亦称态--态化学，对化学反应的基本原理做出了重要突破。
（荣获1986年诺贝尔化学奖）。
1956年Semenov和Hinchelwood在化学反应机理、反应速度和链式反应方面的开创性研究获得了诺贝尔化学奖。
1967年EigenPorter和Norrish因发展了闪光光解法技术用于研究发生在十亿分之一秒内的快速化学反应，对快速反应动力学研究作出了重大贡献，三人共获了诺贝尔化学奖。
1986年李远哲、Herschbach和Polany因发明了获得各种态信息的交叉分子束技术，并利用该技术F+H2的反应动力学（态－态化学），对化学反应的基本原理作出了重要贡献，为此共获了诺贝尔化学奖。
1999年Zewail因利用飞秒光谱技术研究过渡态的成就获诺贝尔化学奖。
♦关于化学反应的历程的重要研究成果——飞秒化学
飞秒化学是研究在极小的时间内化学反应的过程和机理。
这一领域涉及的时间间隔短至约千万亿分之一秒，即1飞秒。
1s（s,秒）=103ms（毫秒）=109ns（纳秒）＝1015fs（femtosecond飞秒）
从分子的角度来说，化学反应的本身就是分子体系的波函数随时间的变化，在势能面上运动的过程。
实验上，通过观察在不同时刻体系的性质，就可以得到这种演化的图像，从而理解反应的具体动力学过程。
由于分子内部、化学反应过程中及凝聚相中分子间相互作用过程是在非常短的时间里发生的，比如说，化学反应过渡态的寿命一般只有几十飞秒，所以必须在飞秒的时间尺度上对化学反应过程进行检测。
也就是说，要象照相一样，要用足够短的“快门”，来捕捉分子运动和变化的瞬间行为的信息。
飞秒化学的技术基础——飞秒激光。
不同波长的激光可以选择性地激发和检测不同的分子，或者同一分子的不同内部能量状态，或量子态分布。
♦分析科学的发展
20世纪70年代，生命科学、信息科学和计算机技术的发展，使分析化学进入了崭新阶段，它不只限于测定物质的组成和含量，而要对物质的状态（氧化．还原态、各种结合态、结晶态）、结构（一维、二维、三维空间分布）、微区、薄层和表面的组成与结构以及化学行为和生物活性等做出瞬时追踪，无损和在线监测等分析及过程控制，甚至要求直接观察原子和分子的形态与排列。
分析化学成为一门仪器装置和测量的科学。
1990年开始的人类基因组计划（HGP）中，由于DNA测序技术不断推陈出新，从板凝胶电泳到凝胶毛细管电泳、线性高分子溶液毛细管电泳、到阵列毛细管电泳，直至全基因组鸟枪测序技术。
终于使人类基因组计划提前到2001年完成。
分析化学在推进人们弄清环境和生命有关的化学问题中起着关键作用。
♦化学在生命科学领域的重要研究成果
20世纪初开始生物小分子（如糖、血红素、叶绿素、维生素等）的化学结构与合成研究就多次获诺贝尔化学奖
1955年首次合成多肽激素催产素和加压素，获1955年诺贝尔化学奖；
1960年成功地测定了鲸肌红旦白和马血红蛋白的空间结构，获1962年诺贝尔化学奖；
1980年P.Berg、F.Sanger和W.Gilbert因在DNA分裂和重组、DNA测序以及现代基因工程学方面的杰出贡献而共获诺贝尔化学奖。
1982年A.Klug因发明“象重组“技术和揭示病毒和细胞内遗传物质的结构而获得诺贝尔化学奖。
1993年M.Smith因发明寡核苷酸定点诱变法以及K.B.Mullis因发明多聚酶链式反应技术对基因工程的贡献而共获诺贝尔化学奖。
第二节20世纪化学工业的大发展
♦石油化工成为支柱产业
20世纪30年代催化剂进入石油化工，催化动力学的发展及催化剂的作用使石油的各种馏分成为各种不同用途的化工产品，石油化工迅速发展，已成为世界经济发展中占重要地位的工业领域。
世界化工总产值中80％以上的产品与石油化工有关。
♦三大合成材料时代
20世纪前半叶，由于基础化学中的高分子化学的兴起和发展，逐步形成了塑料、纤维、橡胶三大合成材料工业。
到20世纪末，世界年产合成橡胶能力已1200万吨，合成纤维达1500万吨，合成塑料已超过6000万吨。
以塑料为主体的三大合成材料，以体积计算其世界总产量已超过全部金属的产量，所以有人称20世纪为聚合物时代。
♦化肥（农药）工业的巨大作用
20世纪面临人口大幅度增长和粮食需求迅速增加的局面。
在解决这一困难中，化肥起了重要作用。
其中氮肥的生产关键问题是如何利用大气中的氮大规模合成肥料。
1909年德国化学家哈伯用锇作催化剂成功地建立了每小时产生80克氨的实验装置。
哈伯因此而荣获1918年诺贝尔化学奖。
1931年德国博施建成第一个用铁催化剂的合成氨工厂日产量为30吨。
（荣获1931年诺贝尔化学奖）。
60多年来，不断对合成氨工艺进行改进并引入现代化工技术。
我国是农业大国，肥料是增产的关键措施。
目前已达年产2000万吨的规模，占世界第二位。
♦医药工业的大发展
20世纪人类寿命显著延长，70岁以上的老人比例显著提高，估计20世纪人类平均寿命增加30岁左右。
人类寿命延长的原因之一是医疗条件的改善，其中针对人类常见病、多发病的新药的研制成功是关键因素。
医药工业的发展与化学紧密相关。
化学合成药在医学工业中占主导地位。
磺胺药是第二次世界大战前惟一有效的抗细菌感染的药物。
Domagk因此而在1939年荣获诺贝尔生理及医药奖。
磺胺类药物的问世标志着化学疗法方面的一大突破。
第二次世界大战后，磺胺药逐渐让位于治疗效果更好的抗生素类药，如青霉素、四环素、红霉素、氯霉素、头孢菌素等。
目前世界药物市场的年销售量约为3000亿美元，在世界经济发展中有举足轻重的作用。
第三章未来的化学——综合学科发展的科学
背景特点：
化学学科的核心任务或今后的长远努力方向,大体上可归纳为三个方面:
（1）开展化学反应的基础研究,以利开发新化学过程和揭示规律;
（2）揭示组成-结构-性能之间的关系和有关规律,以利设计分子或结构从而创造新物质;
（3）利用新技术和新原理强化分析和测试方法的威力,使化学工作的耳目趋于灵敏和可靠。
展望今后，化学将一如既往,积极参与材料科学和分子生物学的发展。
这两个学科与化学都处在原子、分子层次上,可以分享相当部分的原理和方法学,而且涉及的是信息、通信以及健康、福利等新兴产业。
在最近20年中,新物质的创制确实也是十分可观的,其中最为突出的是一系列高Tc超导氧化物以及以C60为代表的富勒烯类物。
分子筛和金属有机物的合成化学也有值得注目的进展。
最近对纳米科技的呼声很高。
这可能也是创造具有神奇性能新物质的一个途径。
当前，基因总谱的工作接近完成，后续的蛋白总谱当可为化学提供更多的机会。
这是揭示生物学中很多奥秘的好机会。
化学在能源和环境产业中也大有可为。
环境问题在较大程度上也与能源结构密切相关。
当前的能源结构是不可能持续很久的。
利用太阳能发电和制氢以及开发新化学能源已是当务之急。
生命过程在本质上是化学过程,但我们所熟悉的体外化学过程一般还远非生命过程那样平易而有效。
我们还需要为化学合成开发出像生命过程中的酶那么高效的催化剂。
酶分子简直是一台分子机器。
估计化学迟早也会掌握如何为某些化学过程开发出分子机器般的催化剂。
我们也不可无视化学在生命以外的化学过程中的优势。
在非生命化学过程中,温度和压力等实验条件以及化学元素组成不像在生命过程中那么局限,而且几乎是完全没有限制的。
化学学科有时还要懂得“临渊羡鱼,不如退而结网”的道理。
第一节未来化学所面临的重大挑战
学习如何合成并制造任何有科学意义或实用价值的新物质。
应用高选择行的紧凑的合成
路线与过程得到期望的产物，并在生产过程中坚持低能耗且对环境友好。
发展新的材料和测量装置以保护公民免遭恐怖主义、事故、罪犯和疾病的危害，其中包含通过使用高灵敏度和高选择性的手段发现并确认危险品和有害生物有机体。
在各种时间尺度和全部分子尺寸范围上认识并控制分子如何进行反应。
学会如何设计和制备其性能在生产之前可以预言、裁剪和调制的新物质、新材料和新的分子器件。
详细深入地认识生命体系中的化学。
开发出能够治愈目前尚属不治之症的医药产品和治疗方法。
将自组装发展成合成和制造复杂体系及材料的有用手段。
认识错综复杂的地球化学，包括陆地、海洋、大气以及生物圈，从而维持地球的可居住性。
开发出永不枯竭的、低廉的能源（包括能源生成、储存以及运输的新方法），以铺就一条通向真正可持续发展未来的道路。
设计并发展能够自我优化的化学体系。
变革化学过程中的设计，使之安全、紧凑、灵活、节能、环境友好，并且有益于新产品的快速商品化。
卓有成效地向公众传达化学和化学工程对社会的贡献。
吸引最好的、最有才华的年轻学生进入化学科学的领域来应对所有这些挑战。
第二节21世纪化学的四大难题
♦化学的第一根本规律——化学反应理论和定律
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（molecularlife）的飞跃？
如何制造活的分子（Makelife），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题。
♦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。
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