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過去，人們通常把化學分為“四大化學”，也就是有機化學、無機化學、物理化學和分析化學。而現(xiàn)如今，化學在更多交叉前沿領(lǐng)域有了更多發(fā)展的空間。

2015年，哈佛大學化學家喬治·M. 懷特塞茲（George M. Whitesides）在頂級化學期刊《應用化學》上發(fā)表文章Reinventing Chemistry（重塑化學），闡述了他對未來化學發(fā)展的理解。懷特塞茲寫道：

“化學現(xiàn)在面臨著各種各樣的機會和對社會的義務(wù)。（化學）科學一直在研究原子、鍵、分子和反應。那么50年后呢？它還會是對分子及其行為的研究嗎？又或者，它會涉及包含分子的復雜系統(tǒng)，包括材料科學、生物學、地質(zhì)學、城市管理等等，成為任何形式的‘化學’？對任何化學領(lǐng)域的簡單定義，或者至少是簡單如‘原子、分子和反應’這樣的定義，似乎都不再適合化學的潛力，以及它對社會的義務(wù)，還有它所面臨的挑戰(zhàn)的復雜性?！?/p>

懷特塞茲在文中列舉并詳細討論了二十多個未來發(fā)展方向的問題，在此摘選總結(jié)了一些化學中具有代表性的交叉領(lǐng)域，化學與其他學科在這些領(lǐng)域中融合發(fā)展。從中，或許可以窺探未來化學的一隅。

生物化學是近年來最熱門、發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一，它涉及的范圍非常廣泛，從理解生命的機制，到了解疾病，甚至延伸到公共健康等領(lǐng)域。在更微觀的層面上，生命也可以理解為分子化學的一種表現(xiàn)形式，它是分子、催化劑和反應構(gòu)成的驚人的網(wǎng)絡(luò)。它其實同樣是一種我們不甚理解的“化學”。

從另一種意義上來說，生命其實也可以說是“起源于化學”。在前生命時代的混亂地球上，一些簡單而基本的化學小分子逐漸構(gòu)成了更復雜的“部件”，慢慢發(fā)展出了紛繁的生物世界。我們對這個神秘的過程知之甚少，它同樣吸引著一批又一批科學家深入探究。

想到生命的本質(zhì)其實只是分子的行為，似乎總會有些令人不安。但或許更驚人的事實是，人類的思想其實同樣如此。在大腦中存在著許多更為細節(jié)、也更加引人入勝的生化問題，比如神經(jīng)遞質(zhì)、受體、蛋白質(zhì)合成和跨膜電化學等等，在化學、生物學以及物理學的交界處，甚至還有一些更為深入的問題，比如感知和自我意識的基礎(chǔ)。在神經(jīng)生物學的研究中，神經(jīng)生物化學占據(jù)了非常重要的一部分。

雖然我們可能很難直觀感受到，但我們的地球家園從來不是一個靜止的星球。地球與太陽系的開端可以追溯到46億年前，這個數(shù)字就是我們通過化學元素隨時間變化的規(guī)律而探測出來的。地球化學的研究對理解地球組成，及其形成和演化等方面做出了關(guān)鍵的貢獻。我們腳下的每一塊巖石、每一寸土地，都帶著許多歷史的故事。還有一些情況下，地球化學的領(lǐng)域會跨越地球之外，延伸至整個太陽系。

地球的大氣層與生命息息相關(guān)，大氣的化學組成會受到自然過程的影響（比如劇烈的火山噴發(fā)）以及人類活動的影響（比如溫室氣體水平、臭氧層的破壞等等）。隨著系外行星的發(fā)現(xiàn)，科學家也開始將眼光從地球移到了其他星球上。在系外行星探測的過程中，人們同樣借助對行星大氣的特定分子的探測，來推測系外行星環(huán)境以及系外生命存在的可能性。

懷特塞茲教授還特別提到了有關(guān)大氣系統(tǒng)的另一個獨特之處。化學一直傾向于研究處于熱力平衡，或者向熱力平衡移動的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)看起來已經(jīng)很復雜 ，但我們周圍最有趣的系統(tǒng)還不止這些。還有一類系統(tǒng)是“耗散”的，也就是說，它們的特點和最有趣的特征只有在能量通過時才會顯現(xiàn)出來，大氣、海洋、代謝等都屬于這類“耗散”系統(tǒng)。研究耗散系統(tǒng)幾十年來一直是物理學研究的主題之一，但與平衡系統(tǒng)不同的是，我們對耗散系統(tǒng)的理論與經(jīng)驗認識都還非常淺薄。

隕石是宇宙化學研究中最關(guān)鍵的“證人”和工具之一，這些天外來客身上往往帶有非常關(guān)鍵的信息，不少隕石的年齡甚至和太陽系的年齡相當，它們能提供來自早期太陽星云的秘密，這對我們理解早期太陽系演化非常具有幫助。隨著越來越多隕石樣本的出現(xiàn)，以及越來越精細的探測，人們在隕石中甚至發(fā)現(xiàn)了許多出乎意料的分子，水的起源甚至生命起源，或許都有望從隕石中獲得答案。

有研究顯示，自2010年起，F(xiàn)DA批準的新藥數(shù)量出現(xiàn)了顯著增長。我們再也無法寄希望于偶然發(fā)現(xiàn)某種藥來滿足我們對藥物的需求了。藥物化學的背后，其實包含了對生物與化學等諸多領(lǐng)域的綜合理解，它不僅需要對疾病、代謝等方面有足夠的認識，還要設(shè)計的化學物質(zhì)有足夠的了解。

近幾十年來，隨著計算機和基因組學的發(fā)展，合理藥物設(shè)計（rational drug design）也成了一個經(jīng)常被討論的話題。簡單來說，這可以理解成一種基于結(jié)構(gòu)的更精準的藥物設(shè)計，它從基因（組）出發(fā)，針對藥物作用的精確位置來尋找和設(shè)計藥物分子。

我們對DDT被禁用的故事應該都耳熟能詳。20世紀上半葉，人們發(fā)現(xiàn)DDT可以作為一種有效的殺蟲劑快速殺害害蟲，它因此被作為一種農(nóng)藥廣泛使用。但后來人們發(fā)現(xiàn)，這種物質(zhì)在自然界分成難以分解，會在動物體內(nèi)累積，對生態(tài)造成非常不利的影響。因此從20世紀70年代起，許多地區(qū)開始逐漸禁止這種物質(zhì)的使用。

這是環(huán)境化學中典型的案例之一。環(huán)境化學通常研究的是化學物質(zhì)在環(huán)境中遷移、轉(zhuǎn)化和降解的規(guī)律，它時常與“污染”一詞聯(lián)系在一起。隨著社會和科技的發(fā)展，環(huán)境問題日益成為關(guān)注的焦點。環(huán)境化學也成了理解環(huán)境問題以及環(huán)境保護的重要基礎(chǔ)。

科技越來越尖端，我們對材料的需求越來越高。我們希望材料在更輕薄的同時變得更堅韌，甚至還帶有諸多獨特的性能。我們最終有可能制造出高溫的超導體嗎？那么透明的液態(tài)鐵磁體，或者一種真正具有生物相容性的神經(jīng)假體是否有可能呢？如果有一種比金剛石更好的熱導體材料，同時價格又便宜，還具有氧化穩(wěn)定，那就再好不過了。人們正在朝著許多過去認為“不可能”的材料邁進，化學在這個過程中自然功不可沒。

在Reinventing Chemistry這篇文章中，懷特塞茲教授提及的問題遠不止這些。他甚至提到了全球人口、國際沖突等許多看似更“不相關(guān)”的問題背后的“化學”。

他相信，化學正在經(jīng)歷一場重要的變革，盡管化學中那個知識層面和商業(yè)層面飛速發(fā)展的時代已經(jīng)過去，但未來化學所面臨的挑戰(zhàn)，會將化學帶到一個新的舞臺。

參考來源：

G. M. Whitesides. 2015. “Reinventing Chemistry.” Angew. Chemie., 54, Pp. 3196-3209.

https://www.biochemistry.org/education/careers/becoming-a-bioscientist/what-is-biochemistry

http://www.bulletin.cas.cn/publish_article/2016/6/20160605.htm

原理，https://mp.weixin.qq.com/s/2_7sMK0EOkMY1P4ZWNZyKg