化学和新材料科学

第二次世界大战后，化学的发展有许多新的特点。首先，体系的多元化和综合化。现代自然科学各门类的分割、交错和组合正在改变传统化学分为无机化学、有机化学、分析化学、物理化学四大部分的旧体系。战前开始出现的量子化学、结构化学、电化学、高分子化学、核化学只是到了战后才相对独立。生物化学虽然历史较长，但作为化学的一大部分而日益受到重视却在战后。新的边缘化学，如半导体化学、激光化学、计算机化学、星际化学、地球化学、海洋化学等纷纷兴起，达数十种之多。化学的许多世袭领地被其它学科占领，它们似乎正在“走出化学”，但化学向其它学科的渗透又使大量本来不属于化学的内容具有了化学意义，它们正在“走进化学”。

其二，科学先行，理论的指导作用加强，化学进一步由经验性、描述性向推理性、创造性方向发展。长期以来，化学的发展主要依靠原有实验、生产经验的积累和对大自然赐予现成物质宏观的描述，虽然本世纪初的物理学革命曾引发了化学对物质微观结构及内部运动规律认识的突破，但化学反应的复杂性（一个主反应往往同时兼有若干个副反应）、瞬时性和微观运动量子化计算的困难使化学在理论水平上仍然落后于数学和物理学。战后化学的发展使它真正成为一门有系统严密理论、能够精确计算的科学。一方面，许多早为人们熟悉的物质由于理论研究的进展而导致应用上的突破，如锗、硅等晶体结构和硼、磷等元素得失电子的理论推动了第一支晶体管的产生，开始了一次次的信息革命；各种新化学键（分子或晶体中原子间的结合力）的发现和键参数的定量化使“惰气不惰”（已制出几百种惰性元素的化合物）， 并使大多数金属元素都能和有机集团结合（已制出几十万种化合物），从而开辟了对化工、材料和生物工程极有意义的金属有机化学。另一方面，在科学理论的指导下，人们的主要精力转向了自然界本不存在的新元素的创造和新化合物的合成。战前，元素周期表的最后一个元素是天然的 92 号铀，1940

年和战后，在核理论指导下，陆续造出一系列超铀元素，周期表已延伸至 109 号。化合物的例子，最突出的莫过于高分子化工了。高分子指分子量可达五万至几十万的有机大分子。最初发现线型高分子的链式结构并找到聚合途径是战前不久的事。战后，石油化工的迅猛发展，使以石油分馏产品为主要原料的高分子化学形成了区别于一般有机化学的独立理论体系。以三大合成

（塑料、合成纤维、合成橡胶）为主体，包括染料、医药等业的高分子化工在六七十年代进入大发展的新时期，预示着人类生产活动和衣食住行的根本变化。1982 年，全世界三大合成产品已达 8133 万吨，其中塑料 6283 万吨（包括各种工程塑料，如强度比钢高五倍的代金属塑料，在二百余度高温下正常

工作的塑料，导电导磁塑料等），合成橡胶 822 万吨（1962 年开始，产量超过天然橡胶），合成纤维 1028 万吨（品种过万，80 年代产量与棉花相等）。一系列充当光导纤维、离子交换树脂、分离膜、胶粘剂、涂层剂、液晶的高分子品种不断问世。1950 年，人们知道的单一物质有一百万种，今天则超过了八百万种，化学家正以每天平均一千种的速度合成着新化合物。他们可以按照要求，把一个高分子割断、打结或插上分支。化学和材料科学正经历着从必然王国向自由王国的过渡。

其三，纵深发展的微观研究和研究手段的不断完善互相促进，使化学在更高的层次上达到“三化”（自动化、计算机化、标准化）“三高”（高灵敏度、高准确度、高速度）的要求。现代综合自然科学，特别是物理学研究手段的发展使化学各领域的微观研究成为可能，而愈益精细的微观研究又要求研究手段的不断更新。战后，单纯的化学方法又有新的创造，但主要是依靠现代物理光、磁、电、放射技术提供的仪器手段。现在，超痕量分析已达ppt（亿分之一），甚至可在 1019 这个庞大数目中检测一个杂质原子，电子探针已能观察到材料中的原子，与计算机联机的分析仪器能自动采集处理、即刻展示各种数据，而电子计算机依据量子化学理论编排的程序已能计算较为复杂的原子、分子的内部运动、绘制各种电子云图、追踪在毫微秒（10-12 秒）到微微秒（10-9 秒）时间内进行反应的能量转移过程。

化学的新发展导致材料科学的进步，为新技术革命和其它自然科学发展提供物质基础。当前各种材料约四十万种，从化学组成上看，包括金属材料

（钢、有色金属、合金等）、无机非金属材料（硅酸盐及特种陶瓷—极纯细的碳、氮、硼化物等）、有机高分子材料以及它们的复合材料（如金属陶瓷、玻璃纤维增强的塑料、碳纤维增强的金属等，是材料发展的方向）；从性能用途看，包括充任骨架、壳体的结构材料和因具某种特定的光、电、声、磁或生物功能而有特殊用途的功能材料。战后，传统旧材料的改造和新材料的研制都是知识密集、技术密集的综合成果，而现代以信息技术为主导，包括能源、生物工程、航天、海洋开发等在内的新技术群又必须仰赖各种新材料作自己的骨肉。在能源技术方面，核电站除需要极纯的核燃料外还要有耐高温、耐辐射、耐腐蚀的结构材料；太阳能发电和光解、电解水制氢的理论和技术问题已经解决，关键是寻找价廉耐用、能高效率实现光电转换、光化转换的功能材料；为节约现有能源、提高热效率，已经制出了可代替合金做燃气轮机、内燃机的结构陶瓷材料；不经过机械能、直接由热能转换为电能的磁流体发电材料也在研制中。在航天技术方面，能承受高温、高压、射线的航天飞机、导弹的外蒙皮和端头材料、火箭的喷管、喉口材料不断涌现。在信息技术方面，科学家们继续探索新的光导纤维、激光器、半导体、信息记录、传感器敏感材料等。在生物医学方面，高分子合成材料大显身手，研制了可代替人的某些器官工作的脏器（心肾等）、管道（血管、气管、食道等） 和功能薄膜材料达数百种。

当今引起各国研制竞争的超导材料，是一类无电阻、因而能进行无损耗输电（目前实际损失率约为 30％）的材料，由于它能形成高电流密度和高磁场，可用来制造增大输出量二十倍、重量减至十分之一的电机，可使磁流体发电、高能加速器、受控热核反应装置、超大规模集成电路、磁悬浮列车的设计根本改观。但自 1911 年发现在绝对温度 4K（－269℃）下的水银具有超导性以来，人们寻找在较高温度下能够工作的超导材料的成绩一直不大，至1973 年，才提高到 23.2K（－250℃），但仍需在液氮环境中工作，实用价值甚微。1987 年初，我国科学家连续三次打破世界记录，将特种合金材料组成的超导体转变温度提高到 100K 以上，日本、美国、苏联、西欧也不断创造着新记录，常温超导的实现将会引起物理学的新革命。

（董大业）