我國科學(xué)家首次從實驗上探測到臨界冰核，研究結(jié)果在《自然》上發(fā)表。

2019年，是中國化學(xué)研究的“豐收”年，也是“轉(zhuǎn)型”年。與其他學(xué)科相比，中國化學(xué)研究已邁進世界“第一梯隊”，也在諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“領(lǐng)跑”。在化學(xué)學(xué)科轉(zhuǎn)型的當(dāng)下，中國化學(xué)研究者在化學(xué)與物理學(xué)科交叉、化學(xué)各個二級學(xué)科之間的交叉方面取得優(yōu)異成績，為重塑化學(xué)學(xué)科的內(nèi)生動力探索了新的道路。

12月18日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員王健君等課題組在《自然》上發(fā)表論文引發(fā)科技界關(guān)注。這是今年中國化學(xué)研究者在《細胞》《自然》《科學(xué)》（CNS）頂級期刊發(fā)表的第12篇論文。這一數(shù)字保持了近3年以來的一貫水平。

近年來，化學(xué)這門古老的學(xué)科正在受到“工具化”的沖擊。化學(xué)未來如何發(fā)展，成為全世界化學(xué)家關(guān)心的重大命題。

“2019年，中國化學(xué)家以重組后的‘合成化學(xué)’等領(lǐng)域為中心開展的工作漸入佳境，為重塑化學(xué)學(xué)科提供了內(nèi)生動力。”國家自然科學(xué)基金委員會（以下簡稱自然科學(xué)基金委）化學(xué)部常務(wù)副主任陳擁軍告訴《中國科學(xué)報》。

轉(zhuǎn)型中的化學(xué)學(xué)科

歷經(jīng)百年，化學(xué)學(xué)科建立了完備的學(xué)科體系，發(fā)展出無機、有機、物化、分析、高分子等多個二級學(xué)科。但是，近幾年來，化學(xué)家們越來越感覺到，作為一門科學(xué)的化學(xué)正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

陳擁軍指出：“化學(xué)逐漸呈現(xiàn)出被工具化的傾向，其發(fā)展越來越依靠其他學(xué)科的需求牽引，內(nèi)在發(fā)展缺乏動力。”今年7月，中國科學(xué)院院士朱道本在接受《中國科學(xué)報》采訪時也提到：“好的應(yīng)用固然重要，但我們?nèi)匀粦?yīng)當(dāng)堅持化學(xué)是一門科學(xué)。”

毫無疑問，化學(xué)學(xué)科走到了轉(zhuǎn)型的十字路口。2016年，以“轉(zhuǎn)型中的中國化學(xué)”為主題的第30屆中國化學(xué)年會召開。會上，中國化學(xué)家聚焦“發(fā)揮中心科學(xué)作用”“推動交叉融合”等話題，謀劃化學(xué)學(xué)科轉(zhuǎn)型的未來。

2017年底，自然科學(xué)基金委化學(xué)部重組了學(xué)科資助代碼體系；2018年起，資助方向變化為8個新領(lǐng)域，包括合成化學(xué)、催化與表界面化學(xué)、化學(xué)理論與機制、化學(xué)測量學(xué)、材料與能源化學(xué)、環(huán)境化學(xué)科學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、化學(xué)工程與工業(yè)化學(xué)等。

作為資助基礎(chǔ)研究的主渠道，自然科學(xué)基金委的舉動往往具有牽一發(fā)而動全身的效果。對中國化學(xué)界而言，學(xué)科資助代碼體系的調(diào)整如同引發(fā)蝴蝶效應(yīng)的翅膀已經(jīng)扇動。

漸入佳境的“合成化學(xué)”

在新的8個資助方向中，“合成化學(xué)”取代了無機化學(xué)、有機化學(xué)、高分子化學(xué)等3個傳統(tǒng)的二級學(xué)科。“目的是鼓勵化學(xué)工作者跨越學(xué)科邊界，打破常規(guī)，相互促進，彼此借鑒。”陳擁軍表示。

2019年，一批突出的研究成果表明，“合成化學(xué)”已漸入佳境——

10月17日，浙江大學(xué)化學(xué)系教授唐?？祱F隊在《自然》上發(fā)表的一項成果，跨越了無機化學(xué)與高分子化學(xué)的界限。研究人員通過借鑒高分子聚合的概念指導(dǎo)無機材料制備，提出了無機離子聚合反應(yīng)的新概念，利用無機離子寡聚體的聚合與交聯(lián)實現(xiàn)復(fù)雜形貌材料的連續(xù)結(jié)構(gòu)制備，為材料制備提供了一條新途徑。

另一項代表性成果來自南昌大學(xué)和東南大學(xué)教授熊仁根團隊。他們利用相似相容原理，構(gòu)筑了新的分子鈣鈦礦固溶體，其壓電系數(shù)超越了無機陶瓷固溶體鋯鈦酸鉛。這項成果反映了無機合成與有機化學(xué)的融合。相關(guān)研究成果于2019年3月15日在《科學(xué)》上發(fā)表。

中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所有機氟化學(xué)重點實驗室研究員董佳家課題組則致力于有機合成與藥物發(fā)現(xiàn)以及化學(xué)生物學(xué)的融合。他們在尋找新反應(yīng)的過程中，意外發(fā)現(xiàn)一種安全、高效合成、罕見的硫氟類無機化合物“氟磺?；B氮”的方法。他們同時發(fā)現(xiàn)該化合物對于一級胺類化合物有極高的重氮轉(zhuǎn)移反應(yīng)活性和選擇性。這項成果于2019年10月2日在《自然》上發(fā)表，并在不久前被該雜志評為今年十大科學(xué)進展。

在研究者看來，這些標(biāo)志性成果展現(xiàn)出“合成化學(xué)”作為融合的科學(xué)領(lǐng)域?qū)χ厮芑瘜W(xué)內(nèi)生動力的重要意義。“未來，以‘合成化學(xué)’等學(xué)科領(lǐng)域為抓手的學(xué)科交叉融合將是化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢。”陳擁軍強調(diào)。

為轉(zhuǎn)型中的化學(xué)學(xué)科擺脫工具化傾向、重塑其內(nèi)生動力，除了合成化學(xué)外，另一個著力點在分析化學(xué)的改革。在自然科學(xué)基金委的學(xué)科代碼調(diào)整中，分析化學(xué)和譜學(xué)一起“轉(zhuǎn)型升級”為化學(xué)測量學(xué)。

中國化學(xué)家們看到，如果說化學(xué)越來越具有工具性，那么分析化學(xué)長期以來在化學(xué)學(xué)科中又是工具的工具。“新工具即新科學(xué)”這一理念已深入化學(xué)家心中。他們相信，發(fā)展新的科學(xué)工具本身可以成為目的，而不僅是開展其他研究工作的手段。

“新的化學(xué)測量方法的發(fā)展對于推動化學(xué)學(xué)科的發(fā)展很重要。針對更復(fù)雜的體系、更微量的樣品以及化學(xué)動態(tài)過程，我們需要發(fā)展更精準(zhǔn)、更靈敏、更快速的測量方法和儀器，這樣才能更好地推動我國化學(xué)學(xué)科的內(nèi)生發(fā)展。”中國科學(xué)院院士、自然科學(xué)基金委化學(xué)部主任楊學(xué)明指出。

他看到，過去一年里，我國在化學(xué)測量學(xué)方面取得了長足進展，新的科學(xué)儀器和測量方法不斷涌現(xiàn)，也為我國化學(xué)研究領(lǐng)域培養(yǎng)了一支優(yōu)秀的儀器研發(fā)隊伍。

此外，融合傳統(tǒng)無機化學(xué)、有機化學(xué)和高分子化學(xué)等相關(guān)材料、能源、化學(xué)內(nèi)容而新設(shè)立的“材料化學(xué)與能源化學(xué)”領(lǐng)域，則拓展了化學(xué)科學(xué)作為創(chuàng)造新物質(zhì)的中心科學(xué)，在面向重大科學(xué)前沿和國家重大需求方面發(fā)揮重要支撐作用。

高度交叉的分子科學(xué)

2019年，以分子科學(xué)為基礎(chǔ)和核心重塑化學(xué)的內(nèi)生動力，成為中國化學(xué)家開辟的一條新路徑。

朱道本告訴《中國科學(xué)報》，分子科學(xué)主要研究物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)、反應(yīng)與機制、性質(zhì)與功能。“我們應(yīng)當(dāng)清楚地認識到，分子科學(xué)是與材料、生命、信息、環(huán)境、能源等領(lǐng)域相互交叉、滲透的一個中心科學(xué)。”他強調(diào)。

其中，和物理科學(xué)的交叉，可以解決分子及分子以上層次化學(xué)鍵精準(zhǔn)重組問題，以及結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系等問題。而這正是化學(xué)最基本的內(nèi)涵，將為分子科學(xué)注入強勁動力。材料、生命、信息、能源等對化學(xué)提出的物質(zhì)、方法、技術(shù)等方面的需求，則被認為是這一學(xué)科的外在發(fā)展動力。

12月18日，王健君與中國科學(xué)院大學(xué)教授周昕等學(xué)者在《自然》發(fā)表的研究中，用表面相對穩(wěn)定的氧化石墨烯制備了一系列納米材料，研究了不同尺寸氧化石墨烯在不同溫度時結(jié)冰的情況，證實了吉布斯提出相變“經(jīng)典成核理論”中臨界冰核的存在。

在王健君看來，這項研究將物理與化學(xué)學(xué)科深度交叉，對水結(jié)冰這一重要相變現(xiàn)象的微觀機制的理解，也能為實現(xiàn)人為控冰應(yīng)用方面提供重要理論指引。

2019年10月，香山科學(xué)會議第663次學(xué)術(shù)討論會聚焦“功能π-體系分子材料前沿與創(chuàng)新”。會議上，分子科學(xué)研究前沿領(lǐng)域得到進一步聚焦，智能化學(xué)與技術(shù)、分子材料與器件、綠色碳科學(xué)與激發(fā)態(tài)化學(xué)、表界面與軟物質(zhì)科學(xué)、生命過程的分子基礎(chǔ)被認為是分子科學(xué)的六大發(fā)展方向。

為解決這些領(lǐng)域中的關(guān)鍵科學(xué)問題，與物理學(xué)深度交叉滲透的分子電子學(xué)備受關(guān)注。

“未來，應(yīng)重視賦予‘老體系’以‘新內(nèi)涵’，布局研究有機拓撲絕緣體、有機熱電、有機超導(dǎo)等新方向，以此推動有機電子工業(yè)形成與發(fā)展。”朱道本指出，“21世紀(jì)的化學(xué)，將呈現(xiàn)多元化和高度交叉的發(fā)展趨勢，中國學(xué)者應(yīng)充分把握好分子電子學(xué)領(lǐng)域自主創(chuàng)新的機遇，為化學(xué)科學(xué)注入新的發(fā)展動力。”