世紀理論化學挑戰(zhàn)和機遇

1、21世紀理論化學的挑戰(zhàn)和機遇 化學與理論化學在20世紀都取得了輝煌的成就，但未獲得社會應有的認可。北大化學系學生會對本科生的調(diào)研顯示，有75的同學認為化學是成熟的老科學，發(fā)展前途不大，理論化學尤其不受重視。1我們要分析原因采取對策，積極主動爭取社會的認同。對于21世紀理論化學的發(fā)展，要采取“侵略性”的戰(zhàn)略，既要大力加強量子化學的基礎研究，又要擴充我們的研究領域。國與國之間要和平共處，但學科與學科之間要互相“侵略”，滲透交叉，才能推動學科的發(fā)展。所以Theoretical chemists in the 21st century should be more aggressive.2化學未獲社會

2、認同的原因分析 化學未獲社會認同的原因分析（1）化學家太謙虛，不會向社會宣傳化學與化工對社會的重要貢獻。報刊上常說20世紀有六大技術，其中沒有化學和化工。（2）化學是中心科學，與信息、生命、材料、環(huán)境、能源、地球、空間和核科學等八大朝陽科學（Sun-rise sciences）都有緊密的聯(lián)系，產(chǎn)生了許多交叉學科。但化學家很謙虛，放棄交叉學科的冠名權，在社會上造成化學被肢解的錯誤印象。Nature在2001年發(fā)表社論說：“化學的形象被其交叉學科的成功所埋沒”。3（3）朝陽科學在組建隊伍時拉走了不少化學家。化學向朝陽科學輸送隊伍，本是好事，但希望社會能夠認同化學對發(fā)展朝陽科學的重要作用，而不是因為

3、化學沒有用處，使化學工作者紛紛轉行。（4）化學家沒有提出21世紀要解決的難題。有人認為化學沒有理論，只是一堆白菜。（5）化學沒有樹立品牌，缺少品牌意識。化學與化工被認為是污染源，這也是缺少生源的原因之一。其實，化學家已提出綠色化學的奮斗目標?；瘜W家不但要認識世界、改造世界，還要保護世界 420世紀有七大技術，第一是合成化學技術 報刊上常說20世紀有六大技術：（1）無線電、半導體、計算機和網(wǎng)絡等信息技術，（2）基因重組、克隆和生物芯片等生物技術，（3）核科學和核武器技術，（4）航空航天技術和導彈，（5）激光技術，（6）納米技術。但卻很少有人提到包括新藥物、新材料、高分子和化肥的化學合成技術。5上

4、述六大技術如果缺少一二個，人類照樣生存，但如沒有合成氨和尿素的技術，世界60億人口有一半要餓死。沒有合成抗生素和新藥物，人類平均壽命要縮短25年。沒有合成纖維、合成橡膠、合成塑料，人類生活要受到很大影響。沒有合成大量新分子新材料，上述六大技術根本無法實現(xiàn)。但化學和化工界非常謙虛，從來不提抗議。我們應該理直氣壯地大力宣傳20世紀有七大技術，第一是化學合成技術。國外傳媒把Harbor Process 評為20世紀最重要的發(fā)明，是很有道理的。 6化學是中心科學 科學可按照它的研究對象由簡單到復雜的程度分為上，中，下游。數(shù)學，物理學是上游，化學是中游，生命、材料、環(huán)境等朝陽科學是下游。上游科學研究的對

5、象比較簡單，但研究的深度很深。下游科學的研究對象比較復雜，除了用本門科學的方法以外，如果借用上游科學的理論和方法，往往可收事半功倍之效?；瘜W是中心科學，是上游和下游的必經(jīng)之地，永遠不會像有些人估計的那樣，將要在物理學與生物學的夾縫中逐漸消亡。中心科學還有另一層含義，因為化學與八大朝陽科學都產(chǎn)生交叉學科。這也說明中心科學的重要性。 7但化學作為中心學科的形象反而被其交叉學科的成就所埋沒 但化學家非常謙虛，在交叉學科中放棄冠名權。例如“生物化學”被稱為“分子生物學”，“生物大分子的結構化學”被稱為“結構生物學”，“生物大分子的物理化學”被稱為“生物物理學”，“固體化學”被稱為“凝聚態(tài)物理學”，溶液

6、理論、膠體化學被稱為“軟物質物理學”，量子化學被稱為“原子分子物理學”等。又如人類基因計劃的主要內(nèi)容實際上是基因測序的分析化學和凝膠色層等分離化學，但社會上只知道基因學，看不到化學家在其中有什么作用。8再如分子芯片、分子馬達、分子導線、分子計算機等都是化學家開始研究的，但開創(chuàng)這方面研究的化學家卻不提出“化學器件學”這一新名詞，而微電子學專家馬上看出這些研究的發(fā)展遠景，并稱之為分子電子學。內(nèi)行人知道分子生物學正是生物化學的發(fā)展。在這個交叉領域里化學家與生物學家共同作戰(zhàn)，把科學推向前進。但在中學生或外行看來，“分子生物學”中“化學”一詞消失了，覺得化學的領域越來越小，幾乎要在生物學與物理學的夾縫中

7、消亡。9這樣化學這門重要的中心科學（Central science）反而被社會看作是伴娘科學（Bridesmaid science）而不受重視（參見前引Nature社論），化學家居然不喊不叫也不抱怨?；瘜W家的謙虛本是美德，但因此而在社會上造成化學是落日科學（Sunset science）的印象，吸引不到優(yōu)秀的年輕學生，這個問題就大了。10化學有沒有理論？ 有人說：化學沒有理論，這也是化學不被認同的理由之一。對于這個問題，唐敖慶先生有很好的回答（引自江?？?、封繼康根據(jù)唐老師于1997年12月23日在吉林大學理論化學與計算國家重點實驗室的二屆學術委員會上的發(fā)言記錄整理稿）。唐先生說19世紀的化學有

8、三大理論成就（1）經(jīng)典原子分子論，包括建筑在定比、倍比定律基礎上的道爾頓原子論，和以碳4價及開庫勒等的工作為中心內(nèi)容的分子結構和原子價理論。（2）周期律（3）化學反應的質量作用定律。1120世紀也有三大理論成就：（1）化學熱力學，可以判斷化學反應的方向，提出化學平衡和相平衡理論（2）量子化學和化學鍵理論，生物學的DNA模型就是在氫鍵理論和蛋白質的分子結構的基礎上提出來的（3）上世紀60年代發(fā)展起來的分子反應動態(tài)學。12到了21世紀，數(shù)學家提出七大難題，物理學家提出五大難題，生物學家提出四大難題。但化學家又比較謙虛，好像沒有人明確提出哪些是化學要解決的世紀難題。其實化學家心目中是有自已的奮斗目標

9、的，只是不愿多說。但這又造成“化學無理論”的錯誤印象。本文不揣冒昧，提出21世紀化學要解決的四大難題，因為這正是理論化學家的主攻目標。當否請批評指正。13理論化學在現(xiàn)代化學的發(fā)展中起了非常重要的作用 1998年，諾貝爾化學獎授予量子化學家科恩和玻普耳。陳敏伯教授在科學（上海科技出版社）發(fā)表的的文章中提到：瑞典皇家科學院1998年，諾貝爾化學獎授予量子化學家科恩和玻普耳。陳敏伯在頒獎公報中說：（1）“量子化學已經(jīng)發(fā)展成為廣大化學家所使用的工具，將化學帶入一個新時代，在這個新時代里實驗和理論能夠共同協(xié)力探討分子體系的性質。化學不再是純實驗科學了”。（2）“當接近90年代快結束的時候，我們看到化學理

10、論和計算的研究有了很大的進展 ，其結果使整個化學正在經(jīng)歷著一場革命性的變化”。14（3）“這項突破被廣泛地公認為最近一、二十年來化學學科中最重要的 成果之一”。這次頒獎宣告了“化學的兩大支柱是實驗和形式理論”的時代已經(jīng)來臨。所以21世紀的化學將是理論和實驗互相結合互相滲透的科學。國外有些著名大學早已把理論化學從物理化學中獨立出來，成為二級學科。希望國家和社會進一步加強對理論化學的支持，鼓勵優(yōu)秀的大學畢業(yè)生來考量子化學的研究生。這對整個化學的發(fā)展是有利的。 15 吉林大學 是我國理論化學的發(fā)源地 理論化學在我國的起步比較早，是和唐敖慶盧嘉錫等先生的倡導分不開的。我國早在1952年就把物質結構列入

11、大學本科生的教學計劃，當時世界上只有不到20所一流大學為本科生開設類似課程。在1956年的“國家12年科學規(guī)劃”中，按照周總理的指示和唐盧等的建議，增加了第56項“物質結構的研究”，對推動我國現(xiàn)代化學的發(fā)展起了重要的作用，使我國大學的優(yōu)秀畢業(yè)生能直接進入世界最優(yōu)秀的一流大學研究生院，并在研究生中名列前茅。 16唐敖慶先生是我國理論化學的奠基人，他創(chuàng)建了吉林大學理論化學所和國家重點實驗室，多次舉辦全國性的理論化學討論班，在全國培養(yǎng)了大批理論化學骨干，為其他化學學科輸送了具有堅實理論基礎的學術帶頭人。我國已舉辦八次全國量子化學學術會議，多次中日理論化學雙邊討論會，參加多次國際量子化學會議。參加這次

12、會議的代表多達300人，在廣泛的領域范圍內(nèi)提出許多高水平的學術論文，說明我國理論化學已有很好的基礎。 17理論化學的危機和我們的對策 到了21世紀，令人意外地發(fā)現(xiàn)，化學和理論化學都發(fā)生了危機，特別是大學生和研究生生源的危機?；瘜W如果得不到重視，一定要拖生命科學和材料科學發(fā)展的后腿。在化學中如果理論化學受到削弱，那么一定要延緩化學趕上國際先進水平的進程。因此我們一定要積極進取，加強宣傳，要使學術界和青年學生了解理論化學的重要性，把優(yōu)秀的青年吸引到我們的隊伍中來。要Aggressive，主動進入交叉學科領域，拓展我們的研究陣地。 18加強量子化學的基礎研究，向化學的世紀難題進軍 1。量子化學理論和

13、方法的基礎研究。2?；瘜W的第一根本規(guī)律（第一世紀難題）：化學反應的理論3?；瘜W的第二根本規(guī)律（第二世紀難題）：分子結構及其和性能的定量關系4。21世紀化學的第三難題：生命科學中的化學問題5。21世紀化學的第四難題：納米尺度的基本規(guī)律和奇異特性 19理論化學應該“侵入”交叉領域，拓展研究陣地 理論化學家在數(shù)學物理和化學三方面都有很好的基礎，他們/她們是化學的戰(zhàn)略機動部隊，比較容易進入當前科學發(fā)展的前沿領域，開展交叉學科的研究，并使理論化學根深葉茂。6。Theoretical Study of Clusters, Fullerenes and Nanotubes 7。Theoretical Stu

14、dy of Surface and Catalysis8。Theoretical Study of Molecular Materials9。Theretical Study of Non-covalent Interactions in Supermolecular Assembly: Hydrophobic(HB)-Hydrophilic(HP) ,HB-HB,HP-HP Interactions, Steric Hindrance, Van der Waals Force, Various Kinds of Hydrogen Bonds, Agostic Bonds, et al 201

15、0。 Theoretical Study of Molecular Self-Assemblies11。 Theoretical Study of Molecular Devices12。 Theoretical Study of Complex Systems. Chaos. Nonlinear Problems 13。 Theoretical Study of the Condensed Phase14。 Bio-Informatics 15。 Chemo-Informatics21日本國立分子科學研究院的組織機構和研究方向 Institute for Molecular Science每

16、年出版一本 Annual Review, 其中最新的2001年年鑒介紹該院的研究機構和方向如下，可供我們參考(1) Dept of Theoretical Studies (2) Dept of Molecular Structure (3) Dept of Electronic Structure (4) Drpt of Molecular Assemblies (5) Dept of Applied Molecular Science (6) Dept of Vacuum UV Photoscience (7) Coordination Chemistry Laboratory (8) L

17、aser Research Center for Molecular Science 22(9)Research Center for Molecular Materials (10) Equipment Development Center(11) UV Synchrotron Obital Radiation Facility(12) Computer Center(13) Center of Integrative Bioscience (14) Chemical Reaction Dynamics(15) Molecular Photophysics and Chemistry(16)

18、 Novel Material Science每個Dept下面列出研究方向，人員，進展和Publications。例如 Dept of Theo Study 有 23個方向。從中可以看到他們的研究范圍很寬廣，值得我們借鑒。 231.量子化學理論和方法的基礎研究 這是理論化學研究的基礎，非常重要。沒有基礎研究，則其它應用研究都是無本之木，無源之水。但基礎研究無法得到橫向資助，只有希望國家自然科學基金會，科技部，教育部和中科院的大力支持。24(1)Recent Adv in Computational Chem. Vol 1 Recent Advances in Density Functiona

19、l Methods Part III, Ed by V.Barone et al, World Scientific, 2002.(2)Vol 2 Recent Adv in Quantum Monte Carlo Methods Part II Ed by W.A.Lester,Jr. et al., World Sci., 2002.(3)World Sci Series in 20th Century Chemistry Vol 10 Linus PaulingSelected Sci Papers, two vol, World Sci. 2001(4)Rev of Modern Qu

20、antum ChemA Celebration of the Contributions of R.G.Parr, two vol, World Sci, 2002252.化學的第一世紀難題：From first principle的化學反應定律 1. 質量作用定律：宏觀的經(jīng)驗定律2. 薛定額第二方程：解決定態(tài)間躍遷幾率問題3. Eyring 絕對反應速度理論：過渡態(tài)、活化能和勢能面等都是根據(jù)不含時間的薛定鄂第一方程來計算的。所謂反應途徑是按照勢能面的最低點來描繪的。這一理論和提出的新概念非常有用，非常重要，但卻是不徹底的半經(jīng)驗理論。4. 量子力學的Collision theory, 有彈性碰

21、撞和非彈性碰撞，可否發(fā)展到化學碰撞？5 .究竟有沒有From first principle 的化學反應定律？ 26所以建立嚴格徹底的微觀化學反應理論，包刮決定某兩個或幾個分子之間能否發(fā)生化學反應？能否生成預期的分子？需要什么催化劑才能在溫和條件下進行反應？如何在理論指導下控制化學反應？如何計算化學反應的速率？如何確定化學反應的途徑等，是21世紀化學應該解決的第一個難題。 (1) 唐敖慶 微觀反應動力學 （2）樓南泉 朱起鶴 王秀巖 態(tài)態(tài)反應動力學和原子分子激發(fā)態(tài)，大連理工大學出版社，1997 (3) Fentochemistry and Fentobiology by A.Douhal,et

22、 al, World Sci, 2002（4）Photo-dynamics and reaction dynamics, Modern Physics,2,Part D,75(2000).（5）R.J.Gordon and Y.Fujimura,Eds.Quantum Control of Molecular Reaction Dynamics, World Scientic,(2001). 273化學的第二世紀難題：分子結構及其和性能的定量關系 這里“結構”和“性能”是廣義的，前者包含構型、構象、手性、粒度、形狀和形貌等，后者包含物理、化學和功能性質以及生物和生理活性等。雖然W.Kohn從理

23、論上證明一個分子的電子云密度可以決定它的所有性質，但實際計算困難很多，現(xiàn)在對結構和性能的定量關系的了解，還遠遠不夠。要大力發(fā)展密度泛函理論和其它計算方法。這是21世紀化學的第二個重大難題。 28（1）如何設計合成具有人們期望的某種性能的材料？ （2）如何使宏觀材料達到微觀化學鍵的強度？例如“金屬胡須”的抗拉強度比通常的金屬絲大一個量級，但還遠未達到金屬-金屬鍵的強度，所以增加金屬材料強度的潛力是很大的。又如目前高分子纖維達到的強度要比高分子中的共價鍵的強度小兩個數(shù)量級。這就向人們提出如何挑戰(zhàn)材料強度極限的大難題。29（3）溶液結構和溶劑效應1.H.Sato,”Theory for Solven

24、t Effects:A Combination of Electronic Structure Theory and Liquid Theory-Quantum Mechanics,Stat.Mech”, Kagaku to Kogyo 54-2,119-123(2001).2.Water Clusters, Adv.Chem.Phys.110,431 (1999).3.Liquid water studied by quantum and statistical mechanics, BUTSURI (J.Phys.Soc.Japan),54, 696,(1999)4.“Two-dimens

25、ional Spectroscopy of Liquids”, J.Electrochemical Soc.Japan,68,125-129(2000). 30(4) Monolayers The Physical Prop of Org Monolayers, by M.Iwanmoto and Wu Chen-Xu, World Sci, 2001以上各方面是化學的第二根本問題，其迫切性可能比第一問題更大，因為它是解決分子設計和實用問題的關鍵。31 4化學的第三世紀難題： 生命科學中的化學問題 充分認識和徹底了解人類和生物體內(nèi)分子的運動規(guī)律，無疑是21世紀化學亟待解決的重大難題之一。例如：

26、32（1）研究配體小分子和受體生物大分子相互作用的機理，這是藥物設計的基礎。 中科院上海藥物所的量子化學家陳凱先院士做了很好的工作。北京大學徐小杰教授做了幾個藥物設計軟件 Tingjun Hou and Xiaojie Xu, “A new molecular simulation software package for structure-based drug design”, J.Mol.Graphics and Modelling,19, 1-13 (2001).33 （2）化學遺傳學為哈佛大學化學教授Schreiber所創(chuàng)建。他的小組合成某些小分子，使之與蛋白質結合，并改變蛋白質的功

27、能，例如使某些蛋白酶的功能關閉。這些方法使得研究者們不通過改變產(chǎn)生某一蛋白質的基因密碼就可以研究它們的功能，為開創(chuàng)化學蛋白質組學，化學基因組學（與生物學家以改變基因密碼來研究的方法不同）奠定基礎。 因此小分子配體與生物大分子受體的相互作用的機理，是一個重大的理論化學問題，值得我們關注。 34（3）光合作用的機理活分子催化劑葉綠素如何利用太陽能把很穩(wěn)定的CO2和H2O分子的化學鍵打開，合成碳水化合物CH2On，并放出氧氣，供人類和其它動物使用。（4）固氮作用的機理。（5）搞清楚牛、羊等食草動物胃內(nèi)酶分子如何把植物纖維分解為小分子的反應機理，為充分利用自然界豐富的植物纖維資源打下基礎。35（6）人

28、類的大腦是用“泛分子”組裝成的最精巧的計算機。如何徹底了解大腦的結構和功能將是21世紀的腦科學、生物學、化學、物理學、信息和認知科學等交叉學科共同來解決的難題。（7）了解活體內(nèi)信息分子的運動規(guī)律和生理調(diào)控的化學機理。（8）了解從化學進化到手性和生命起源的飛躍過程。（9）如何實現(xiàn)從生物分子biomolecules到分子生命molecular life的飛躍？如何制造活的分子(Make life)，跨越從化學進化到生物進化的鴻溝。36（10）蛋白質和DNA的理論研究1.C.A.Floudas and P.M.ardalos Eds, Encyclopedia of Optimization,Klu

29、wer Academic,2001,Vol.III Monte Carlo simulated annealing in protein folding.2.A.Mitsutake,et al,Generalized-ensemble algorithms for molecular simulations of biopolymers, Biopolymers(Pept.Sci) 60,96-123,(2001). 375化學的第四世紀難題：納米尺度的基本規(guī)律 當尺度在十分之幾到10納米的量級，正處于量子尺度和經(jīng)典尺度的模糊邊界fuzzy boundary中，有許多新的奇異特性和新的效應，新

30、的規(guī)律和重要應用，值得我們理論化學家去探索研究。下面舉例說明納米效應：381如以銀的熔點和銀粒子的尺度作圖，則當粒子尺度在150納米以上時，熔點不變，為960.30C,即通常的熔點。以后熔點隨尺度變小而下降，到5納米時為1000。又如金的熔點為10630，納米金的融化溫度卻降至330039(1)陳景：“原子態(tài)與金屬態(tài)貴金屬化學穩(wěn)定性的差異”,待發(fā)表。 在納米尺度，熱運動的漲落和布朗運動將起重要的作用。因此許多熱力學性質，包括相變和“集體現(xiàn)象”（Collective phenomena) 如鐵磁性，鐵電性，超導性和熔點等都與粒子尺度有重要的關系。下面是討論這一問題的一本好書。(2)T.L.Hil

31、l：Thermodynamics of Small Systems, Dover,New York,1994。40 2. 納米粒子的比表面很大，由此引起性質的不同。例如納米鉑黑催化劑可使乙烯催化反應的溫度從6000降至室溫。這一現(xiàn)象為新型常溫催化劑的研制提供了基礎，有非常重要的應用前景。納米催化劑能否降低反應活化能？這是值得研究的一個理論問題。 413. 當代信息技術的發(fā)展，推動了納米尺度磁性Nanoscale magnetism的研究(3) G.Timp,Ed.,Nanotechnology,AIP Press, Springer-Verlag, New York, 1999.由幾十個到幾百

32、個原子組成的分子磁體表示出許多特性，如tunneling, quantum coherence, thermo-induced spin crossover transitions42(4)E.Coronado,et.al,Molecular Magnetism:From Molecular Assemblies to Devices,NATO AISI Series E.Vol 321,Kluwer(Dordrecht,1996)。(5)D.Givord and M.F.Rossingol,“Coercivi ty”, p.210,in Rare Earth Permanent Magnet

33、s,J.M.Coey, editor, Oxford Univ Press(Oxford,1997).(6)G.A.Prinz,“Magnetoelectronics”,Science,282,1660(1998).434. 電子或聲子的特征散射長度，即平均自由程 在納米量級。當納米微粒的尺度小于此平均自由途徑時，電流或熱的傳遞方式就發(fā)生質的改變。(7)L.L.Sohn,et.al,editors:Mesoscopic Electron Transport, Dordrecht, 1996.(8)S.Frank,et.al,“Carbon Nanotube Quantum Resistors”

34、，Science,280,1744 (1998).445. 與微粒運動的動量p=mv相對應的de Broglie 波長l=h/p，通常也在納米量級，由此產(chǎn)生許多所謂“量子點(Quantum Dot)”的新現(xiàn)象。(9)Special Issue on Quantum Dot Structures,Janpanese J.of Applied Physics, Vol.38,No1B,1999.(10)G.Timp,editor,Nanotechnology,AIP Press,Springer-Verlag,New York,1999.45(11)Y.Wang,et.al,”Tunnelling

35、 through quantum dot systems: a study of the magneto-conductance fluctuations”, J.Phys.Condens.Matter,6,L143,1994.所以納米分子和材料的結構與性能關系的基本規(guī)律是21世紀的化學和物理需要解決的重大難題之一。46(12) .Nano-Science Res.Directory,2000是美國BNL編寫的一篇內(nèi)部Review，有200篇參考文選。(13) H.Kuzmany eeet al,Eds.,Elecctronic Properties of Novel MaterialsMol

36、ecular Nanostructures，Am.Inst of Phy.Conf. Proc.(2000).(14) 吳征鎧，唐敖慶主編：分子光譜學專論, 1999 , 山東科技出版社， 其中第五篇，李鐵津， 趙冰，趙新生：“納米材料與二維有序薄膜的分子光譜研究”476Theoretical Study of Clusters, Fullerenes and Nanotubes 1. 唐敖慶 李前樹：原子簇的結構規(guī)則和化學鍵，山東科學技術出版社，19982. 盧嘉錫：過渡金屬原子簇化學新進展，福建科學技術出版社，19973. Lu Jia-Xi: Some New Aspects of Tr

37、ansition-Metal Cluster Chemistry, Science Press, Beijing/New York, 20004. The Physic and Chem of Clusters, World Sci, 2001 487Theoretical Study of Surface and Catalysis 會議有許多很好的報告，廈門大學做了很好的工作 498Theoretical Study of Molecular Materials 1會議有許多很好的報告2 “In this century,molecular science has to play a ce

38、ntral role for the establishment of the harmony between human society and natural environment by the concept of molecular materials”Koji Kaya, Director Gen, Ann Rev IMS, 20013 A. P. Alivvisators et al. “ From Molecules to Materials: Current Trends and Future Directions ”, Adv. Mater. 1998, 10. No. 6

39、. 表1：從分子到分子基功能材料的例子*（為壓縮篇幅，移到附錄） 509Theretical Study of Non-covalent Interactions in Supermolecular Assembly: Hydrophobic(HB)-Hydrophilic(HP) ,HB-HB,HP-HP Interactions, Steric Hindrance, Van der Waals Force, Various Kinds of Hydrogen Bonds, Agostic Bonds, et al 10. Theoretical Study of Molecular Sel

40、f-Assemblies11. Theoretical Study of Molecular Devices 5112.Theoretical Study of Complex Systems. Chaos. Nonlinear Problems 復雜、開放、非平衡系統(tǒng)的熱力學，耗散和混沌狀態(tài)，分形現(xiàn)象等非線形科學問題。(1)G.M.Whitesides,et.al,“ Complexity in Chemistry”, Science, Vol.284,89-92,1999.(2) H.V.Westerhoff,et.al,”Thermodynamics of Complexity”, Th

41、ermochimica Acta, 111 (1998)(3) I.S.Choi et.al,”Shape-selective Recognition and Self-Assembly of mm-scale Components”, JACS 1754(1999).52(4) K. Mainzer, Thinking in Complexity (Springer-Verlag, New York, ed. 3, 1997)(5) F. A. Carroll Perspectives on Structure and Mechanism in Organic Chemistry (Broo

42、ks/Cole, Pacific Grove, CA, 1998)(6) A. Arkin et al. Science 277, 1275(1997); I. Schreiber et al. J. Phys. Chem. 100, 8556 (1996)(7) A. Goldbeter et al. Biochemical Oscillations and Cellular Rhythms: The molecular Bases of Periodic and Chaotic Behavior，Cambridge Univ.Press,Cambridge,1996. 5313. Theo

43、retical Study of the Condensed Phase(1) Perspectives on the Macromolecular Condensed State, by Renyuan Qian(錢人元) World Sci，2002(2) Equations of State Theories and Their Applicationt to Polymers, Blends and Solutions, by B. Brudolf, et al., World Sci。，2002 5414. Bio-Informatics 現(xiàn)在生物學和化學積累了大量信息，但處理、研究

44、和運用這些信息，總結規(guī)律的工作顯然大大滯后。這是百年一遇的大寶庫，已有幾位理論物理學家如郝柏林院士等進入這一領域，我們理論化學家要不要試一試呢？(1)Y.Okamoto,“How far can computational chemistry approach the full understanding biological phenomena” in Challenges in Theoretical Chemistry and Computational Chemistry, in the 21st Chemistry Vol 9, Chem Soc of Japan,(2001).(2

45、) Y.Okamoto,“Post-genome analyses by computer simulations” in Genome,Life and Computer, Computer Today, 101 (2001).(3) O.M.Becker,et al.,Eds., Computationary Biochemistry and Biophysics,Marcel Dekker Inc.,New York,(2001). 5515. Chemo-Informatics 化學文獻和數(shù)據(jù)的積累非常迅速，但利用這一文獻寶庫來總結規(guī)律的工作相對滯后.從科學發(fā)展史看，科學數(shù)據(jù)的大量積累

46、，往往導致重大科學規(guī)律的發(fā)現(xiàn)。如17世紀的天文學積累了幾百顆天體運動的數(shù)據(jù)，對它們的分析導致開普勒提出天體運動的三大定律，為牛頓建立他的經(jīng)典力學體系奠定基礎。 19世紀60年代的化學積累了數(shù)十種元素和上萬種化合物的數(shù)據(jù)，門捷列夫把這些元素按原子量的大小次序排列，發(fā)現(xiàn)它們的化合物的性質有周期性變化，因而在1869年提出元素周期律，為以后發(fā)現(xiàn)新元素和玻耳建立原子模型指明了方向。 5620 世紀30年代，積累了100多萬種化合物的數(shù)據(jù)，結合量子化學的發(fā)展，導致鮑林提出共價、電價和氧化值的定義，以及鍵、鍵、雜化軌道、電負性、共振結構等新概念，總結出化學鍵理論，發(fā)表論化學鍵本質這本經(jīng)典著作，對20世紀化

47、學的發(fā)展起了非常重要的作用?，F(xiàn)在截止1999年12月31日，美國化學文摘登記的分子、化合物和物相的數(shù)目已超過2340萬種，比鮑林總結化學鍵理論時擴大了十余倍，但全世界的化學家似乎還沒有充分利用這一化學文選寶庫來總結規(guī)律。這是世紀之交的難得機遇，不可交臂失之。 5716. Classification of Molecules According to Their Structural Types: The N,B, Scheme 58 * Is it necessary? *Is it possible?1. Our considerations(1) AtomsFragments Struc

48、tures Molecules, (2) How to characterize a structure? N= No of fragments B=No. of interfragment bondsNB= 4,3 4,4 4,5 4,6 R. Hoffmann first proposed“molecular fragment” in his “principle of isolobal analogy”Periodical Table of Molecules and Molecular Fragments59From topology, only 6 ways to connect 4 positions(1) NB = 4,3,3 (2) NB = 4,3,3 (3) NB = 4,4,4 (4) NB = 4,4,4 (5) NB = 4,5,5 (6) NB = 4,6,660Add bonds, with F1, F2, F3, F4, we have 28