任何人在观察目前的化学前沿时,最显著的是,该领域发生了极为激动人心的事情。显然,这是一个重要的过渡时期,因为化学家现在可以观察极其迅速的变化过程,可以观测到很微小的量,可以跟踪个别粒子的运动,而且所有这些都可以同复杂的理论联系起来。人们不得不承认,在过去四、五年中,化学十分迅速地成熟起来,它已真正复兴,实际上已成为所有科学的缩影。

复杂的仪器

现在之所以发生如此多的变化,大都由于使用了复杂的仪器设备,这些仪器设备在十多年前是无法使用的,也许连做梦也想不到。十分清楚,这要感谢物理学领域的同行。仪器设备对于这样的变化,对化学的过渡和复兴,起着关键的作用。

但是,同等重要而且无可疑义的是,由于仪器设备和我们提高了的对化学物质性质的认识,化学领域的缩影不仅已变得清晰、显明、可见,而且表明必须考虑化学领域的交叉活动。我相信,有机化学家、无机化学家、物理化学家、分析化学家、表面化学家等等头衔,也许一时不会消失,也许继续保留下来,但它们的作用将会消失。

当人们承认磁矩对有机体中碳原子的键合作用不再是一个非同一般的问题时,当人们谈论酶的金属络含物或有机分子对无机物表面的侵袭,而且我们是根据事实而不是猜测谈论到这些时,就会很清楚地认识到,化学已改变了它的面貌,也许已回复到一百年前的样子,即重新成为一个统一的领域,但当然有了很多新的了解。

我们现在已能够观察到微微秒时间周期内的变化,这个时间已被称为化学变化的自然时间,事实上这是一个崭新的化学概念。我们不再需要根据可以占据个瓶子或一个容器的某些东西,并观测一年甚至几年后,才定义一种分子。能够维持10-15秒时间的原子的任何聚合,只要它经得起仪器的检验。

它事实上就是分子。原子的任何短暂结合,只要它提供足够的时间对它进行评价、分析和利用,它事实上就是分子。与我们的前辈比较起来,我们现在处在值得羡慕的地位,能够做这些事情。微微秒光谱学属于最前沿,而且是目前专题讨论会的主题。

计算机化学

计算机对化学研究有巨大的影响,这里包括小型计算机和微处理机。它们在实时基础上提供实验数据,这在我自己初期的工作中是不可能的。即使在二十年前,一个化学系能够接近一台像样的计算机也是极不寻常的。现在,任何一个进行重大研究的化学系,都有小型计算机和微处理机与它们的设备连结起来,并为它们的实验发挥作用。这些计算机的费用不过十万美元。

自由电子激光器和X射线激光器,与同步辐射一起,正在开辟新的前沿。事实上,我们现在的激光器为我们提供了几年前连听都没有听到过的应用机会。

要对化学反应有充分的了解,就需要对一个系统从单一反弦量子态到单一反应物终态的微观速率常数有一些了解。现在,分子束技术与激光技术结合起来用于激发和探测,提供了探测这些态所必需的手段。现在化学家可提出这样的问题:量子态最可能反应吗?量子态最可能变态吗?放在态- 态化学(目前是碰撞过程)方面的主要力量,正在用于改变特定的量子态群,并取得了不同程度的成果。

计算机模拟增加了我们在分子规模上对事件的了解:计算机直接计算出原子系集的特性。事实上,在1975年底《莫斯科大学学报》的一篇论文中,作者就声称:“如果你要得出表面张力值粘度值和密度值,或所有这三个值,那么,给计算机编好程序后它就会告诉你,碳水化合物将为你提供这些数据。”这暗示,你甚至可以从一种材料得出这三者的数据。

激光化学

激光化学这一崭新的领域,使人们提出这样的想法,即原则上应能提供可把能量调到一定水平的激光器,使人们能够根据需要打破指定的化学键。因此,人们也就可以在特定场合制成特定的加成化合物,并以最小的面反应使分子重排。众所周知,我们以往的“粗笨方法”,是把能量硬打进系统内,尽我们的可能打破那些化学键,并希望它们变成我们最感兴趣的产物。我们尽可能获得了那样的产物,并尽最大可能把产物清理了出来。

由于激光器和它们所有各类应用的几乎无限的发展,人们想出的任何反应,适合于人们了解关于能量、键合和结构的某些情节的任何反应,现在至少原则上可以发生。超灵敏的激光探测技术,可使化学反应异乎寻常快地发生。如果碰巧这是溶液的话,我们必须做的一切,就是使这种溶液非常稀淡,然后超灵敏探测器可以测定到十亿分之一,甚至可能达亿万分之一的精度。

目前我们可以控制至今人们不得不表面上承认的许多反应。在新的学生实验室内,直接出现沉淀物的瞬息双重反应,现在可以减慢。事实上我们不仅可以做到这一点而且可以研究这种过程的分子动力学。我们不仅能够跟踪极快的或至今很难发生的反应,而且能够研究个别粒子或粒子个别部分的动力学。

有了那样的能力,我们就处在有利的地位,能够观察晶体凝聚相,并弄清粒子在结构中的各自位置和相对位置。我们也可以用液体来做同样的事情。多年来我们仅满足于如此这般剧烈和复杂,而对液体和高压气体了解得甚少。现在通过激光的拉曼效应,从光谱学方面研究液体动力学的可能性是,我们实际上已弄清楚液体的特性。若干年后,我们甚至能改进Debye-Hückel传导理论。

胶体和膜

目前可使用的仪器设备和随之而来的理论,允许我们探测有时候只能想象的基团。更进一步,我们可以探索称之为胶体的复杂系统。我们现在已有条件了解分子组缨、分子组缨系、分子组缨和单休间的平衡,了解分子组缨是有预先注定的结构和形状,还是有随机的形状和结构。

人们可以进一步了解膜的问题。膜总被认为是动力学实体,但在实验中又总被作为很平静的、有严格分开之小洞的体系来处理3现在我们已真正能够把膜作为实在的化学动力学体系来观察了。

新的复兴

我们已有能力很精细、很迅速地应用各类光谱学。我们能够把电子放进去把质子取出来,把质子放进去把电子赶出来,把电子放进去把质子赶出来。这一切能力给了我们全副甲胄。愿意细心并有理论基础的化学家,现在都有机会以不久以前好得多的数量级去详细阐明化学系统。

化学的一个复兴时期,或者至少可以说是一个过渡时期正在开始到来,那是事实,但化学家并不从此获得全部利益。进而言之,我在上面所提到的,并不限于化学,而是与一切学科有关。事实上,我只作为一个例子举出来的化学家所使用的物理学家的工具,同样适用于生物学家、生化学家和地质学家。料想得到的是,它使石油地质学家能够探测出痕量物质。通过含油物质在地球中的运动,确定它们走过的路径,就可以探究石油成因的理论。

我的结论是简单的,即不仅化学有一个集中点,一切学科都有一个集中点。这个集中点业已出现,因为我们通过这些新仪器,可以更透彻、更快速、更深刻地观察分子过程。让我们利用这种新的洞察力去更好地认识自然,探索远为我能想象得到的事物,比我们过去更大地扩大眼界吧。

[Interdisciplinory ScienceReviews1980年12月3卷4期]

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* 作者从1974年起担任美国国家科学委员会主席。