——在继续培育学科内核的同时，化学家在未来25年内将揭示生物学的许多奥秘，创造出几乎是魔力般性质的材料。
2023年，当“Chemical & Engineering News”（C&EN，《化学与工程新闻》）百年华诞的时候，化学将会是什么样子呢？什么样的研究论文将会在“Journal of the American Chemical Society”（JACS，《美国化学会志》）的篇幅上占主导地位呢？是否JACS的篇幅，或者JACS和其他刊物的内容将只用电子手段传播呢？最出色的化学研究将在哪里进行——是在大学的传统的化学系呢？还是在结构生物学系或材料科学系？谁来资助研究？大多数大学仍会有化学系吗？
为求回答这些以及其他问题，C&EN召集了一个由优秀化学家组成的专家小组，来讨论未来25年化学的演变。讨论由哥伦比亚大学化学教授罗纳德 · 布莱斯洛（Ronald Breslow）主持。参加讨论的有：加州理工学院化学教授约翰 · 巴尔德施维勒（John D. Baldeschwieler），奥斯汀得克萨斯大学化学教授阿伦 · 巴德（Allen J. Bard），加州理工学院化学教授杰奎琳 · 巴顿（Jacqueline K. Barton），伊利诺斯大学（Urbana-Champaign）荣誉化学教授西奥多 · 布朗（Theodore L. Brown），加州理工学院化学教授巴巴拉 · 英彼利（Barbara Imperiali），麻省理工学院化学工程学教授罗伯特 · 兰格（Robert S. Langer），哥伦比亚大学化学教授中西香尔（Koji Nakanishi），麻省理工学院化学教授丹尼尔 · 努塞拉（Daniel G. Nocera），华盛顿特区国立研究署化学科技部主任道格拉斯 · 拉布（Douglas Raber），芝加哥大学化学教授斯图尔特 · 赖斯（Stuart A. Rice）和休斯顿莱斯大学化学和物理学教授里查德 · 斯莫利（Richard E. Smalley）。C&EN总编鲁迪 · 鲍姆（Rudy M. Baum）还采访了国家科学理事会（National Science Board）主席、斯坦福大学化学教授理查德 · 扎尔（Richard N. Zare）和麻省理工学院化学系主任斯蒂芬 · 利帕德（Stephen J. Lippard），他们对化学的未来也贡献了他们的思想。
75年前，化学的新时期曾渐露端倪。那时新技术和新仪器对分子结构洞开了窗口，量子力学为原子的行为提供了更真实的见解。那个窗口从来没有关闭，分子结构和量子力学已成为化学的组织原则。从许多方面来说，把注意力集中于结构正是化学有别于其它科学的地方。化学家坚持与他们的科学的研究对象保持亲近的关系，这是其它学科无法与之比拟的。
化学已经实现了它的非凡的潜力。事实上，它是“中心的、有用的、创造性的”科学，罗纳德 · 布莱斯洛1996年在他为公众写的一本关于化学的书时在该书的标题中正是这样称呼化学的。化学取得了这么大的成功，以至于它的方法、它的对于结构和反应性的集中重视现在正活跃地支配着其它科学领域。实际上，分子生物学不就是化学生物学吗？材料科学事实上不就是材料化学吗？
但正是这种非常的成功对于化学科学未来的健康产生了疑问。是否化学研究中最热门的领域正在被并非叫做化学的学科所占据？
由C&EN召集来讨论化学的未来的专家小组看来对这门科学的未来是相当自信和乐观的。“我们说到化学，好像我们都知道化学是什么，”布莱斯洛评论说，“现在有材料科学（属于材料科学系）、环境科学（属于环境科学系）、生物化学和分子生物学系——所有这些领域其中很大成分是化学，是不是化学系打算包含所有这些？”
对于布莱斯洛的问题，杰奎琳 · 巴顿提供了一个答案。“我预言化学系将会少一些，但化学家不会少。”她说，“有些大学将不会有化学系，但是在生命过程、新材料、神经学研究等的科系中会有化学家。我认为我们应该接受这一点，因为如果你相信化学是一门中心科学（我是相信的），那么事实上在这些不同的领域中我们都在从事化学研究
有些小组成负对巴顿关于化学系会减少一些的预H有不同意见，他们争辩说，化学对于一个大学来说是非常基础的学科，无法完全放弃化学系。例如，赖斯说：“总会有些地方必须讲授化学的核心知识，保持它，发展它。”罗伯特 · 兰格（专家小组内唯一的化学工程师）指出，“有些大学确实取消了一些系。但化学？如果他们打算走到取消化学这一步，在我看来那还是非常遥远的。”
道格拉斯 · 拉布指出，国立研究署的许多部门（包括投资机构）已经作出很大的努力来开发化学科学的跨学科特性，这门科学的真正力量在于它与其它学科的交界处。
所有的小组成员都同意化学进入相关学科是不可逆转的，但同时他们表达了一个意愿：即使那些在明显地不能称为化学研究室工作的化学家也要保持一种独特的身份。例如，丹尼尔 · 努塞拉评论说，“每当我碰到这个问题，我总是问：你怎样定义化学家？什么使得化学家与众不同？然后问题是：那个特点终究会消失吗？化学家制造新东西，研究反应。这正是这个专业的核心。这永远不会消失。在这点上人们总是要依赖我们的。
英彼利说，“化学的奇妙之处在于，我们都说相同的语言。我们共有相同的基础科学。因此我们能够相互谈论我们所做的事情。我们必须保证下一代也能这样做。他们不能从我们这里滑开，成为在一个无法与例如物理化学家交谈的某一个领域的专门家。”
从非常实际的标准出发，阿伦 · 巴德指出：“我认为只要化学家能够找到工作，就会有化学系，待别是在研究生一级会有。只要我们教出的学生能够找到职业，我们就不会有问题。”
人类基因组和各种病原体基因组的全面测序对于未来会有显著的影响。对于介入、对于治疗、对于处理抗药性微生物等的冲击——其潜力是无穷的，这将会改变我们所看到的医学实践的状况。
—约翰 · 巴尔德施维勒
因而化学家在未来25年里仍会做化学。他们将会在传统的化学系做化学，他们也会在别的地方做化学。但他们将会进行什么样的研究呢9近期内他们将会完成什么呢？按照我们小组的意见，许多活动会在化学与生物学、化学与材料科学的界而上进行。虽然小组的某些成员认为政府和基金会的投资方式已经扭曲了对于生物学问题研究的优先性，但大多数人相信，将化学应用于生物学乃是一项当今研究前沿最有见地的促进。
在专家小组会后的一次采访中，扎尔说：“下世纪对化学家最大的挑战之一将是制造生命，一种能自我复制、自我组织、甚至有进化为其它东西的可能性的体系——我想这是可能的。”
也许，创造生命是化学转向生物学的极终的表述，但这还不是扎尔愿意作的唯一的大胆预言。“我们正变得越来越像仿生人，”他预言，“朝着把人和机器组装在一起的可能性变化，至少为了医学的目的是如此。我们将更能理解如何植入有助于我们的健康或者能监测我们的健康并将情况提前告诉我们的材料，就像一部汽车，它告诉你什么时候应该送进修理站，而不是等着在公路上爆胎。我认为将更多使用传感器并把它们和人连接在一起。”
虽然小组其他成员同样对化学应用于生物学问题的前景感到鼓舞，但他们的预言多少要比扎尔更谨慎些。但是，扎尔关于化学家正处于创造生命的边缘的观念并不完全孤独，这一点可以从努塞拉和布莱斯洛之间的对话看出来。
努塞拉：我设想在未来25年里化学家将真正能建造细胞膜。我打赌他们将能够把质子泵过膜。
布莱斯洛：我们要让膜带上功能。我们是否要把膜转变成细胞？
努塞拉：那是下一步的事。
布莱斯洛：它们会是活的吗？它们会吸收养分并从严格的意义上说表现某些功能吗？
努塞拉：是的。
拉布指出，化学家如果实际上还没有创造出生命，但朝着改善生命已经取得了可观的进展。例如，中西香尔曾指出，对于有机化学家和药物化学家而言，选择性医学（alternative medicine）是新化合物的源泉。但那并非是有生物学活性的单一化合物。中西评论说，用于选择性医学的草药和其它植物含有复杂的化合物的混合物，基于传统药物的药将越来越多地包含许多存在于这个源泉的化合物。中西说，“要发现选择性医学是如何起作用的并非容易，存在许多协同作用。我们必须了解它的生物学，分离各个化合物，再按照它们从自然界分离出来时的样子把它们放在一起。”这就是说，运用传统化学的强有力的技术来了解选择性医学的总效果。
英彼利附和中西说：回到技术上来看，就像香尔听说的我们正处在筛选有协同作用的混合物的地位。现在各种诊断工具都具备了，而这些在5至10年前是没有的。这将把选择性医学带入现实世界的医药王国
“让我们把讨论扩展到选择性医学以外吧，”巴顿争论说、“我们一直在考虑基因治疗或蛋白质治疗。我认为，如你所看到的未来，无论是通过选择性医学发现的，还是合理地从调节剂的观点考虑的小分子，它将更多地回到小分子。就信号传导调节剂而言，就抗病毒剂而言，我们没有必要走向越来越大的分子。当我们描绘出小分子如何与大分子相互作用时，就可以把小分子用作全套通用工具的基础——我们能用来与不同疾病斗争的总体解决。”
在未来25年中化学会产生重大冲击的领域是神经科学。例如，巴尔德施维勒预言，“在25年内，我们将对神经化学有足够的了解，使我们对于大脑的功能、记忆的本质会有某些理解——记忆是怎样储存的，在哪里储存，何种体系使储存的记忆格式化。我们还将能够建设性地干预诸如药物成瘾、精神病、欲望狂、盛怒、恐惧、紧张、人类智慧、学习等事物。”
在C&EN专家小组会后进行的一次采访中，利帕德说，他打算今年在圣迭哥加州大学的学术假期间，把研究集中在神经化学上。“未来25年在神经科学中将会有非常激动人心的重要发现，化学将对它们作出主要的贡献，”利帕德说。“我们对于发生在神经元突触的分子事件需要了解得更多。关于电流沿着神经的传导以及肌肉的激动我们知道得很多——这些过程的大部分都要由经过通道和泵的离子运输来完成——但是这些过程的结构和分子细节还有待揭示。
扎尔也重视神经化学。“关于化学和智能的关联我们应该去了解得更多。”扎尔举出了一个关于睡眠的例子。“我们不理解睡眠。我们可能发现睡眠实际上是我们不再需要的逝去时光的痕迹。有些睡眠是需要的，但并不需要像大部分人那样睡得那么多。由于细胞分裂的限度，我对于延长人的寿命并不那么乐观。如果我们通过摄取正确的化学品的组合，我们实际上可以极大地改变生活的性质，每个晚上只要睡一个小时。关于这件事，有那么多的事情®要了解，而最终都要牵涉到化学。最终的解将来自化学。”
人工智能将用于设计合成，并实际上做合成。现在我们用19世纪的方式做合成——我们有更好的玻璃仪器，更好的分析工具，但在合成的自动化和计算化方面我们还没有实际的进展。这种情况将要改变。
——阿伦 · 巴德
小组成员都预言在所有合成领域内将会有敁著的进展。布莱斯洛提到复杂碳水化合物的合成、“集中研究碳水化合物是期待已久的他说。“所有细胞表面的识别基本上都是通过细胞表而抗原来进行的，这些抗原都是碳水化合物。有很好的证据证明细菌是部分地通过结合到复杂的碳水化合物上面认识细胞并入侵它们的。正在开展许多合成工作来发展制造这些物质的方法学。很明显这将导致重要的制药应用。”英彼利争辩说，化学家将越来越多地驾驭细胞来为他们做合成。“对于如何利用生物体系来创造需要的化合物这一点我们正理解得越来越深。随着遗传工程的进展我们实际上已经到达解决的边缘。”
小组专家预言，在下个四分之一世纪之后，对化学反应性的基本理解也将会有长足的进步。“在25年内，我们现在进行的对简单反应的大部分反应机理研究将会被计算研究取代，”布莱斯洛预言。“目前，计算机能够产生完整的反应轮廓，制造出能显示反应过程中发生的所有事情的电影。问题在于我们不知道它是否精确。我们将会使计算足够好，以至达到每当核对计算结果时，它总是和实验结果一致的境地，我们将最终下结论说我们再也不必去做那些实验了。”
布莱斯洛又说，这样的能力将使我们能够预言，例如，你需要加人何种催化剂来使反应能够进行，而那个催化剂又是如何工作的。你还有能力在把两种物质加在一起之前预言它们能否发生反应，预言未知反应的产物和反应速度。
催化领域的进展——朝向催化剂的合理设计——吸引了西奥多 · 布朗的注意。他指出，虽然我们对催化已经了解了很多，但大部分还停留在爱迪生的方式。“催化研究大都还是一种试差法的活儿。当我们发现了一种催化剂，我们很高兴并尽其所能地利用它，但却不知道下一个催化剂会从什么地方产生出来。组合化学和计算方法的结合可能把我们带到一个催化剂库的境地，利用这些催化剂可进行特定的工作。因为它使得你能够生产或多或少按照性能要求来生产化合物，这就有巨大的内涵。”
巴顿赞成布朗关于“设计催化剂来定做我们想要的物质”的能力的说法。她也预见“制造过程将更清洁。我们将用氧而不是用氯做氧化化学。我们将把注意力集中在节约材料并把能量消耗降低到为了进行必需的反应所需要的最低限度的制造过程。”
几位小组成员集中注意的另一领域是分析技术的越来越精巧化。赖斯说，“我认为测景越来越小的量——单个分子的S——的技术将会有持续的发展，发展到将会出现应用于生物医学和工业的各种探针的巨大阵列，达到人们能够连续地监测或试验具有化学意义的各种事件的地步
理查德 · 斯莫利接着说：“我听醉心的梦想之一是发展用于单个分子的光谱学，那才是名副其实的光谱学。不只是触摸那个分子的顶部或把宏观的电流通过它，而是真的在单个分子上进行测定，如进行NMR测定。”
从现在起用不了25年，具有分子完美性的碳素纤维和氮化硼纤维，小的无规的长度或是电缆中的连续长度都行，每年将以百万吨的规模生产出来。
——理查德 · 斯莫利
在未来25年化学将会有重大冲击的另一个领域是材料科学。“广义地说，从金属到聚合物，我认为我们在材料科学中已经看到了进展。”赖斯评论说，“我们将更多地使用‘设计者的材料’而不是大宗材料，就这个意义上说，我认为制造过程将得益于此。例如，当你要造一座在一定时间内承受一定应力的桥梁，你将能定制造这座桥的‘设计者的材料’。制作的经济性将使其成为可能，而我们也更能理解‘设计者的材料’并使之实现。”
按照巴德的意见，对有机化合物电子性质的研究将产生诸如显示、存储和场效应管等新电子器件。“我认为从这个领域将会成长出有机电子学工业。”
“我同意，”斯莫利回答说。“事实上，我愿意给你加二到三个数量级的赌注。我现在开始相信分子电子学实际上是可能的并且将诞生。”斯莫利，由于发现富勒烯而分享了1996年诺贝尔奖，把他的预言建立在他的和其他人的研究室的合成和表征碳纳米管的研究工作上。
斯莫利说，某些纳米管确实是金属性的，这意味着“我们有一种有机化学的方法制造金属导线。通过把这些和化学完美性挂钩，我们应该能够用分子制造基本上所有在宏观世界里的电路元件的等价物。如果那是真的，那么从现在起不到25年，将会出现这样的结局，有机化学将会有一个强有力的方面，从业者除了制造药物或聚合物外，还能制造电子器件。”
斯莫利还预见到碳纳米管及其同系物硼-氮纳米管的多种其它应用。他称其中的一种为“编号的绘画”（“paint by numbers”）。
“我想象一个巴基管就是一支画笔的柄。”斯莫利说。“画笔上的毛就是结合在这个纳米管柄顶端的催化剂分子。”在斯莫利的隐喻中的“油漆”是漂浮于溶液中的反应物分子组成的。画布就是某种“在其上我们要建造分子准确性的表面。当表面、催化剂和反应物分子在同一时刻相遇时，油漆就粘在画布上，根据要绘画的区域的‘编号’，而改变反应物分子和纳米管柄端的催化剂。”
兰格提到材料研究和生物医学研究的进展之间的交界。“生物材料将会由于现在正在进行的对树性聚合物、导电聚合物、能够发生相转变的聚合物以及其它许多方面的基础研究而进步，”他说，“这些将被用于新的药物运载体系，并创造新的组织，如皮肤、软骨，甚至神经。”
这点将变得越来越清楚，开采石油并把它烧掉是对未来的一种犯罪。不只是因为全球变暖，而且是因为我们正在烧掉对其它应用具有巨大价值的材料。
——罗纳德 · 布莱斯洛
化学是一门实践的科学，C&EN专家小组预言未来25年将会看到化学致力于解决各种社会问题的贡献。“在我看来在25年中人类的问题将是能源和食物”，巴德说。“我认为世界人口还会保持增长，食物和能源都将成为问题。我们需要可携带的燃料，如果我们停止烧油——即使我们不再烧了，我们也会用完它——我们也要驾驭化学来制造别的液体燃料。氢经济听起来很好，但除非我们发展出好的方法来非常密集地并安全地储存氢，我们仍需要大量液体燃料
至于食物，“化学正开始制造食物”，巴德说。“我们制造了人造脂肪（它并不是脂肪）。我感觉这个趋势会继续，我们将造出各种类型的食物。”
“从现在起的25年内，内燃机将要进博物馆，电池工艺学将最终解决如何传输电力的问题，燃料电池将是实际的器件，而不只是在大学一年级化学课上讲授的有趣的东西——它电力充足并便宜得能满足日常使用斯莫利预言。“我们可能会解决廉价的太阳能的问题，便宜到去建造别的发电厂都会变成傻瓜。”
“20世纪化学最大的失败之一是未能开发出好的燃料电池催化剂，”利帕德说，“我认为电力汽车是化学能够实现的发明。电力汽车将能够使我们世界美丽的城市恢复其原有的辉煌。请想象如果没有汽车的污染，墨西哥城、佛罗伦斯、罗马和巴黎会是什么模样。那真是重要的基础研究——能将这个工艺向前推进的是新电池和新燃料电池的催化剂。”
相反，赖斯预言了未来25年全球变暖将给核电工业以新的活力。“无需了解全球变暖的机理，人们也能确信表观上很小的温度变化的后果会对人类造成巨大的改变。”赖斯说。“如果这一点被接受了，那么忽视它的后果将变得这样明显，以至于人们会愿意说，‘我们不知道化石燃料的燃烧是否是全球变暖的主要的或唯一的原因。但若有别的替代方法，我们至少应该保证我们能够得到那些替代办法并开始使用其中的某一种。’”
在电子出版中的这些实验，它们中的许多可能会失败。但由于这个方法学的力量以及它能以空前未有的速度到达很大数量的读者中的能力，人们将会发现合理的方法利用它们来发表他们的科学成果，这是不可避免的。它们将取代传统的方法。
——西奥多 · 布朗
交流研究结果是所有科学的特征。C&EN专家小组的成员一致预言，电子出版中的流行趋势将显著地改变化学家交流信息的方式。
“当作出一项新发现时，对某些人来说是否可能把这项发现在英特网上公布，而避开了通过同行审阅来出版的正常方法？”布朗问道。“在高能物理学界（那是个小的，相对与外界隔离的团体），已经有这个新方法了。在洛斯 · 阿拉莫斯国家实验室运行着一种电子出版系统，使人们可以在服务器上公布他们的论文。其他人阅读它们、评论它们，并交流有关的信息。最终，它们还要印刷出版，但到那个时候它们已经过时了。”
“化学还没有采用这种做法，虽然举行过电子会议。我感到，随着这些技术越来越全面地进入我们的日常实践，它们将要影响我们相互通讯交流的方式以及我们传播研究成果的方式。”
巴德（JACS的编辑）回答布朗说：“我的感觉是，高能物理学界能够使用电子出版，是因为他们是个很小的团体，并且对于他们所做的工作实际上很少有外界进入。我不认为它会在化学家之中流行。我自己的感觉是在这些电子出版物中信噪比实在太差。它可能容易得到，但你要花费大量时间从一大堆垃圾中搜寻值得一看的东西。我猜想我是个老派的人。但我感觉传统的出版模式还要和我们相伴很长时间。"
对此布朗回答说：“我并没有说我们已经有了一种好的替代方法来取代我们传统使用的东西。我所说的是已经出现了新的交流形式。而且对我们来说它并不意味着期待在未来25年我们将仍用今天的方式出版刊物。”
英彼利加人讨论，为传统的出版方式辩护，也替英特网做宣传。“英特网上的材料钻正在失去控制。由于数量太大，品质控制必然下降。我要重复巴德所说的。我感到在这个问题上我是非常传统的。我认为对于我们能够信任它们的品质的事物，我们必须将它们保持在一定水平上。”
英彼利继续说，“我认为对于同事问的合作英特网是一种出色的媒体。除了能更多获得信息外，它使我们感觉不到我们是在不同的城市里，使我们能够通讯交流，使得事情进行。”
斯莫利的意见则包含了同行审阅的品质控制和电子刊物的快速性两个方面。“在25年内，我们将能收到直接传输到我们的刊物，觉得像一本书那样的小东西里。如果我们想要，它就能发出书的气味。但它将仍是像过去曾经写出的那样的书。但是，这一点将仍然是真的，最好的研究者将要求他们的作品在最专用的环境中出版。”
“就像做广告一样，你为读者付费。你希望人们阅读它。这是我们对科学的责任之一。不管是否是你的发现，你有责任去影响我们共有的知识。像很多研究组一样，我们小组也是宁愿发布一个重磅炸弹，而不愿点点滴滴地在刊物发表而不受人注意。当然我也不愿意花25年时间来等一篇文章。”
在本论坛开始的时候，专家小组就被告知对未来25年内的研究支持应持乐观态度。但对基础研究支持的来源，将得到支持的研究的类型，以及工业和学术间的关系是大家感兴趣的课题，也是这些学术界化学家的真正关切所在。一个高声并清楚地传递过来的信息是政府对基础研究继续给予强有力的支持是绝对必要的。
巴顿提示说，工业界出于自身的利益愿意支持大学里的某些基础研究。“工业界和大学间的关系正在改变，而且还在继续改变，”她说。“总的来说，工业界对大学做他们的研究并不感兴趣。他们要大学做更基础的研究，然后让工业界跟上来。”
就保护基础研究而言，大概巴德说得最好：“我想我最严重的关切是如何保护基础研究。如果要我对将来作一个预言，那么我要说在未来25年中将要发展的最重要的事情中的5件在这个圆桌上没有得到讨论。它们将是基础研究的结果，一些得到联邦政府支持的年轻科学家正打算提出这些基础研究。”
如果有适当的投资，对化学而言，未来的25年看来至少和过去的75年一样光明。实际上，被C&EN召集到一起来规划将来的化学家对于化学所能实现的事情几乎都抑制不住他们的热情。“对于化学来说最重要的是我们制造新东西，”利帕德说。“我们不只研究自然界，我们还制造新分子、新催化剂、有非同寻常反应性的化合物。我们的部分课题使我们通过合成美丽面对称的分子成为创造性的艺术家。我们以新的方式重新安排原子的能力赋予我们巨大的而别的科学所没有的创造机会。”
事实上，如果他们是对的，未来的25年将成为我们科学的黄金时期。在这个时期，化学能揭示生物学的许多奥秘，化学能创造出几乎是魔力般性质的材料，化学能以对环境友好的方式，生产出足够的食品和能®用以供养世界的人口并向全世界的经济活动提供动力。
[Chemical & Engineering News，1998年1月12日]
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