NSR專欄：徐如人：重視凝聚態化學的研究與學科建設

撰文 | 徐如人（中國科學院院士、吉林大學無機合成與製備化學國家重點實驗室）

責編 | 陳曉雪

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

到目前為止，人類已經創造出上億種物種、物相、化合物和材料，其組成幾乎涵蓋了周期表中的所有元素。它們呈現多層次結構的凝聚態（Condensed Matter），包括晶體固態、准晶與非晶固態、無定形與玻璃態、介觀態（如納米、團簇等）、熔融態、液態和氣態等。這些凝聚態具有特定的組成、多層次結構、性質與功能，是所有化學反應的主體。這些物種、物相、化合物和材料的化學性質以及它們間的化學反應（包括反應條件、過程、機制、結果與產物的功能）主要決定於其凝聚態組成和多層次結構。

比如，對於固態物質，其多層次結構就包括特定的鍵合、晶體結構、多種類型的缺陷與能帶結構、界面、粒度尺寸和分布等。當在高溫下晶體固態間發生化學反應時，除了組分間發生反應，固態中的多層次結構也將發生變化。以其中的缺陷為例，在高溫下缺陷本身、缺陷與缺陷間、缺陷與組份間往往會發生一定程度的變化與反應，從而影響整體反應的進行與結果。比如，在以離子熔體、分子熔體與金屬、合金熔體為主的熔融態結構中，空穴、空位、位錯，具有特殊組成與活性的化學個體粒子和「變形中心」，以及由於結構原因造成的諸多熔態特性，將影響和決定熔態化學與在熔態中進行的化學反應。又如，以水為代表的液態，除了水分子自身的結構和極性，在液態水中還存在氫鍵、水簇、空洞等結構，導致液態水成為大量化學反應最重要的介質，諸如溶解與沉澱、晶化、酸鹼中和與鹽類水解、氧化—還原與複分解、絡合和配位、簇合、聚合以及大量亞臨界條件下的水熱反應等。在臨界與超臨界條件下，液態水的組成、結構和性能又發生了極大的變化，從而形成了超臨界水熱化學。

再如，納米態與相關材料的化學，則更與納米的介觀態結構和由態結構賦予的特性（包括界面效應、量子尺寸效應、小分子效應與量子隧道效應等）緊密相關。元素周期表第一、二周期中的元素及元素相互間生成的化合物和第八族的惰性稀有氣體是化學中的主要氣態物種，然而這些氣態物種間如果要發生化學反應，卻只能在具有特定組成、結構與催化功能的固態或熔態中或超低溫下光催化的作用下才能得以進行，因而，它們的化學是現代催化化學研究領域的重要對象，是推動現代催化理論發展的基礎。

然而直至目前，化學科學所描述與研究的內容還基本上停留在以分子與理想晶體為基礎的結構、化學性質與化學反應、合成以及它們之間的關聯、規律與理論方面。這樣必然無法準確全面地描述與認識實質上是以凝聚態為主體的化學科學。特別是隨著科學的快速發展，化學家們必然面臨一系列前所未有的新化學科學問題，比如（1）設計與定向創造新物質，特別是具有特定功能與特定學術意義的新物質；（2）研究複雜體系（比如生命、地球、大氣以至星際等體系）中的特殊與極端條件下的化學反應以及（3）為人類謀幸福求健康所面臨的諸多化學問題。

因此，建立和發展凝聚態化學（Condensed Matter Chemistry）這個新學科就顯得尤為重要。凝聚態化學是以與化學科學具有緊密聯繫的固態、介觀納米態、熔融態、液態與氣態為主要對象，研究「態」的組成、多層次結構、性質與功能，態-態間的化學反應規律和多層次結構間的關聯，凝聚態物質的構築與創造以及它們的規律與理論的一門學科。為了適應新化學科學的需要，建議化學家們在目前化學科學的基礎上，高度重視凝聚態化學的研究與學科建設，系統地開展與化學緊密相關的上述凝聚態多層次結構與特性對化學反應的影響研究，總結普遍規律，並與凝聚態物理學界的同仁們加強學科間的協作，以發展有關理論來推動化學科學以至物質科學與材料科學更大的發展。

徐如人

1932年2月生，無機化學家，中科院院士，現任吉林大學化學學院教授。

英文原文2018年1月發表於《國家科學評論》(National Science Review, NSR)，原標題為「Towards a new discipline of Condensed Matter Chemistry」。《國家科學評論》是科學出版社旗下期刊，與牛津大學出版社聯合出版。《知識分子》獲《國家科學評論》和牛津大學出版社授權刊發該文中文翻譯。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！