10000個(gè)科學(xué)難題(化學(xué)卷)

前言

　　愛(ài)因斯坦曾經(jīng)說(shuō)過(guò)“提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更為重要”。在許多科學(xué)家眼里，科學(xué)難題正是科學(xué)進(jìn)步的階梯。1900年8月德國(guó)著名數(shù)學(xué)家希爾伯特在巴黎召開(kāi)的國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)上提出了23個(gè)數(shù)學(xué)難題。在過(guò)去的10多年里，希爾伯特的23個(gè)問(wèn)題激發(fā)了眾多數(shù)學(xué)家的熱情，引導(dǎo)了數(shù)學(xué)研究的方向，對(duì)數(shù)學(xué)發(fā)展產(chǎn)生的影響難以估量。　　其后，許多自然科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家們陸續(xù)提出了各自學(xué)科的科學(xué)難題。2000年初，美國(guó)克雷數(shù)學(xué)研究所選定了7個(gè)“千禧年大獎(jiǎng)問(wèn)題”，并設(shè)立基金，推動(dòng)解決這幾個(gè)對(duì)數(shù)學(xué)發(fā)展具有重大意義的難題。幾年前，中國(guó)科學(xué)院編輯出版了《2l世紀(jì)100個(gè)交叉科學(xué)難題》，在宇宙起源、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生命起源和智力起源四大探索方向上提出和整理了l00個(gè)科學(xué)難題，吸引了不少人的關(guān)注?！　】茖W(xué)發(fā)展的動(dòng)力來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面，一是社會(huì)發(fā)展的需求，另一個(gè)就是人類(lèi)探索未知世界的激情。隨著一個(gè)又一個(gè)科學(xué)難題的解決，科學(xué)技術(shù)不斷登上新的臺(tái)階，人類(lèi)社會(huì)發(fā)展也源源不斷獲得新的動(dòng)力。與此同時(shí)，新的科學(xué)難題也如沐雨春筍，不斷從新的土壤破土而出。一個(gè)公認(rèn)的科學(xué)難題本身就是科學(xué)研究的結(jié)果，同時(shí)也是開(kāi)啟新未知大門(mén)的密碼。　　《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》提出建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的戰(zhàn)略目標(biāo)，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，鼓勵(lì)原始創(chuàng)新是必由之路。為了引導(dǎo)科學(xué)家們從源頭上解決科學(xué)問(wèn)題，激勵(lì)青年才俊立志基礎(chǔ)科學(xué)研究，教育部、科學(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)院和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)決定聯(lián)合開(kāi)展“10000個(gè)科學(xué)難題”征集活動(dòng)，系統(tǒng)歸納、整理和匯集目前尚未解決的科學(xué)難題。根據(jù)活動(dòng)的總體安排，首先在數(shù)學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)三個(gè)學(xué)科試行。　　征集活動(dòng)成立了領(lǐng)導(dǎo)小組、領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，以及由國(guó)內(nèi)著名專(zhuān)家組成的專(zhuān)家指導(dǎo)委員會(huì)和編輯委員會(huì)。領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室公開(kāi)面向高等學(xué)校、科研院所、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)以及全社會(huì)征集科學(xué)難題；編輯委員會(huì)認(rèn)真討論、組織提出和撰寫(xiě)骨干問(wèn)題，并對(duì)征集到的科學(xué)問(wèn)題嚴(yán)格遴選；領(lǐng)導(dǎo)小組和專(zhuān)家指導(dǎo)委員會(huì)最后進(jìn)行審核并出版《10000個(gè)科學(xué)難題》系列叢書(shū)。這些難題匯集了科學(xué)家們的知識(shí)和智慧，凝聚了參與編寫(xiě)的科技工作者的心血，也體現(xiàn)了他們的學(xué)術(shù)風(fēng)尚和科學(xué)責(zé)任?！　￠_(kāi)展“10000個(gè)科學(xué)難題”征集活動(dòng)首先是一次大規(guī)模的科學(xué)問(wèn)題梳理工作，把尚未解決的科學(xué)難題分學(xué)科整理匯集起來(lái)。

內(nèi)容概要

　　《10000個(gè)科學(xué)難題(化學(xué)卷)(精)》的讀者對(duì)象廣泛，不僅可作為高校和科研部門(mén)研究生基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究的參考選題；也可作為大學(xué)生擴(kuò)大知識(shí)領(lǐng)域的參考書(shū)；還可作為激發(fā)中學(xué)生科學(xué)興趣的輔佐讀物。同時(shí)，也可供有關(guān)政府和管理部門(mén)的領(lǐng)導(dǎo)和工作人員閱讀。 《10000個(gè)科學(xué)難題·化學(xué)卷》一書(shū)由我國(guó)當(dāng)前活躍在科研第一線(xiàn)的老中青優(yōu)秀學(xué)者、專(zhuān)家編篡，匯集了一批涉及化學(xué)科學(xué)各分支領(lǐng)域國(guó)際發(fā)展前沿和熱點(diǎn)以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求有待解決的“難題”或問(wèn)題。全書(shū)內(nèi)容覆蓋面廣，交叉性強(qiáng)，富有前瞻性、先進(jìn)性和重要性。書(shū)中既闡明了這些難題的科學(xué)內(nèi)涵，指明了探求的方向和思考空間；同時(shí)，也反映出我國(guó)學(xué)者的高學(xué)術(shù)水平和我國(guó)化學(xué)科學(xué)的顯著進(jìn)步。

書(shū)籍目錄

《10000個(gè)科學(xué)難題》序序前言晶體缺陷的測(cè)定及其與固體性質(zhì)的關(guān)系無(wú)機(jī)有序多孔材料的設(shè)計(jì)合成金剛石的化學(xué)合成高透量無(wú)機(jī)分離膜的制備上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料及其應(yīng)用高性能非線(xiàn)性光學(xué)材料高壓化學(xué)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的高能材料手性自發(fā)拆分的預(yù)測(cè)與調(diào)控金屬-金屬（多重）鍵基于分子磁性的分子自旋電子學(xué)研究可用于量子計(jì)算機(jī)的分子磁體材料的設(shè)計(jì)合成有機(jī)導(dǎo)電磁體多鐵分子材料功能配合物的可控合成分子間弱相互作用與功能超分子材料的調(diào)控分子影像材料智能配位聚合物分子材料過(guò)渡金屬促進(jìn)的硼-氫鍵活化金屬藥物的作用機(jī)理金屬酶模擬硒蛋白的結(jié)構(gòu)、功能與化學(xué)模擬重元素的相對(duì)論效應(yīng)復(fù)雜材料的第一原理電子結(jié)構(gòu)方法所面臨的挑戰(zhàn)水結(jié)構(gòu)之謎高轉(zhuǎn)化效率的納米材料太陽(yáng)能電池高效的光分解水制氫納米材料高效納米儲(chǔ)氫材料新型碳納米材料納米粒子為單元的多級(jí)次程序化組裝生物無(wú)機(jī)材料的仿生化學(xué)超高比容量鋰離子電池的納米電極材料固態(tài)電極離子/電子輸運(yùn)過(guò)程及其耦合機(jī)理燃料電池新型質(zhì)子交換膜能源轉(zhuǎn)換中的非鉑催化劑新型染料敏化太陽(yáng)能電池由二氧化硅化學(xué)法一步制備高純硅氫的安全高效儲(chǔ)存金屬氫的制備煤炭的低成本氣化技術(shù)纖維素的低成本、規(guī)模化制備燃料乙醇界面有機(jī)光電效應(yīng)過(guò)渡金屬催化劑上N2催化加氫成氨的作用機(jī)理問(wèn)題催化劑活性基團(tuán)的仿生組裝多相催化反應(yīng)機(jī)理和活性中心的表征甲烷選擇氧化制有機(jī)含氧化合物的高效催化體系電催化表面結(jié)構(gòu)效應(yīng)減少機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染的新型催化劑溫室氣體的捕集、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化石油生物催化脫硫高效率熱電材料超高密度信息存儲(chǔ)材料有機(jī)分子磁體多功能內(nèi)集成的單分子器件材料老化過(guò)程的化學(xué)動(dòng)力學(xué)無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)材料/細(xì)胞界面結(jié)構(gòu)及相互作用復(fù)雜體系的腐蝕電化學(xué)研究富勒烯的形成機(jī)理材料合成中分子有序組合體模板的機(jī)理問(wèn)題分子有序組合體的理論模擬與設(shè)計(jì)表面增強(qiáng)光譜學(xué)的統(tǒng)一理論表面手性結(jié)構(gòu)的形成、識(shí)別與控制電化學(xué)界面結(jié)構(gòu)的理論模型超臨界流體中的微觀(guān)聚集行為對(duì)化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)性質(zhì)的影響水在生命化學(xué)過(guò)程中的作用分子反應(yīng)的本質(zhì)和控制時(shí)間分辨的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)非正交軌道的價(jià)鍵理論Hamiltonian矩陣計(jì)算密度泛函理論及其應(yīng)用普適的線(xiàn)性標(biāo)度第一性原理電子結(jié)構(gòu)理論能同時(shí)處理強(qiáng)相互作用和弱相互作用的密度泛函理論從弱到強(qiáng)電子耦合強(qiáng)度下的電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)和速率理論碳-氫鍵的活化碳-碳鍵的活化二氧化碳的固定和活化氮?dú)獾墓潭ㄅc活化有機(jī)化合物的直接氟化“綠色”氧化新型反應(yīng)介質(zhì)自由基、卡賓的選擇性控制有機(jī)金屬絡(luò)合物催化性能的預(yù)測(cè)串聯(lián)反應(yīng)及多組分反應(yīng)多樣性導(dǎo)向的有機(jī)合成手性起源手性催化活性天然產(chǎn)物的高效合成多糖/寡糖的固相合成天然產(chǎn)物的快速分離鑒定有機(jī)反應(yīng)的時(shí)間分辨分子識(shí)別和自組裝分子間弱相互作用的選擇性和方向性超分子體系中的電子轉(zhuǎn)移和能量傳遞光合作用的化學(xué)機(jī)制與應(yīng)用手性農(nóng)藥“綠色”農(nóng)藥的分子靶標(biāo)農(nóng)藥的生物合理設(shè)計(jì)農(nóng)藥的劑量傳遞鏈?zhǔn)娇s聚反應(yīng)螺旋選擇性自由基聚合反應(yīng)非石油路線(xiàn)合成高分子聚電解質(zhì)的構(gòu)象變化高聚物中的玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的本質(zhì)大分子體系的非晶液-固相轉(zhuǎn)變鏈狀大分子半結(jié)晶織態(tài)結(jié)構(gòu)的調(diào)控高分子同體中的鏈纏結(jié)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)光子學(xué)聚合物的構(gòu)筑聚合物光子晶體聚合物太陽(yáng)能材料共軛聚合物分子的電荷傳輸機(jī)理模擬生物大分子聚集體功能的大分子自組裝高分子仿酶中識(shí)別與催化的協(xié)同性生物材料的血液相容性人工肌肉材料仿生自修復(fù)高分子材料生物合成高分子材料的基礎(chǔ)問(wèn)題智能和靶向性醫(yī)用高分子骨修復(fù)中的組織工程技術(shù)分析化學(xué)中的若干科學(xué)問(wèn)題實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)多分子相互作用的熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系的建立獲取蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能信息的新方法可以直接給出分子結(jié)構(gòu)的高分辨成像技術(shù)自由基動(dòng)態(tài)原位檢測(cè)與調(diào)控細(xì)胞功能研究鹵鍵在化學(xué)和生物分子識(shí)別中真的很重要嗎金屬納米粒子的等離子體共振散射及其篩選、純化可控電化學(xué)信號(hào)放大方法研究生物分子界面電子轉(zhuǎn)移的基本行為與特征細(xì)胞之間信號(hào)傳導(dǎo)的定量化糖生物學(xué)與蛋白質(zhì)糖基化研究中的分析方法高靈敏度、高特異性電化學(xué)DNA生物傳感器的研究復(fù)雜蛋白質(zhì)樣品的高效分離分析蛋白質(zhì)復(fù)合物的大規(guī)模分離與鑒定廣譜性手性化合物分離分析方法基于完整蛋白質(zhì)的復(fù)雜體系全蛋白質(zhì)組快速、靈敏定量技術(shù)生物大分子結(jié)構(gòu)的NMR解析基于核磁共振的代謝組學(xué)分析技術(shù)微全分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)微流控芯片的液體混合生物芯片在蛋白質(zhì)組學(xué)中的應(yīng)用生命體系中單分子檢測(cè)單分子DNA序列的測(cè)定方法研究納米生物傳感碳納米管材料在分子成像以及癌癥早期診斷領(lǐng)域的應(yīng)用基于量子點(diǎn)標(biāo)記的生物活體動(dòng)態(tài)示蹤成像基于譜學(xué)成像的多功能納米探針研究蛋白質(zhì)分子印跡方法學(xué)研究金屬組學(xué)元素形態(tài)分析復(fù)雜樣品系統(tǒng)中特定組分的選擇性分離鑒定高維多模數(shù)據(jù)的融合、解析與建模方法研究二階張量校正（復(fù)雜體系干擾共存下多組分同時(shí)直接定量分析）小分子腫瘤標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)和早期分析檢測(cè)疾病的預(yù)警和診斷系統(tǒng)食品中藥物殘留的多組分快速檢測(cè)仿生嗅覺(jué)和味覺(jué)傳感器的研究和發(fā)展復(fù)雜基體環(huán)境樣品的前處理高靈敏DNA損傷分析化學(xué)污染物的原位與形態(tài)分析有機(jī)污染物QSAR模型的機(jī)理建模與解釋汞的化學(xué)甲基化與活化手性化學(xué)污染物的環(huán)境行為持久性有機(jī)污染物的大氣長(zhǎng)距離傳輸：冷捕集效應(yīng)持久性有機(jī)污染物的生物富集與生物放大預(yù)測(cè)模型研究微囊藻毒素分子結(jié)構(gòu)中Adda側(cè)鏈肽鍵的水解化學(xué)污染物的生物有效性平流層臭氧損耗的化學(xué)機(jī)制毒物興奮效應(yīng)環(huán)境污染物與神經(jīng)內(nèi)分泌毒性環(huán)境污染物與生物大分子的相互作用化學(xué)污染物的基因毒性復(fù)合環(huán)境污染物協(xié)同毒性作用機(jī)理光催化降解有毒有機(jī)污染物水環(huán)境中PPCPs的微生物轉(zhuǎn)化與降解機(jī)制機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣催化凈化環(huán)境應(yīng)用功能性納米的材料設(shè)計(jì)和構(gòu)效關(guān)系納米金催化作用及在環(huán)境中的應(yīng)用污染場(chǎng)地的化學(xué)強(qiáng)化修復(fù)微量元素在生物體內(nèi)的協(xié)調(diào)與拮抗納米粒子的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和安全性問(wèn)題什么是天然產(chǎn)物的生物合成和組合生物合成合成生物學(xué)領(lǐng)域中天然產(chǎn)物藥物的微生物全合成人類(lèi)基因G-四鏈體結(jié)構(gòu)的化學(xué)基因組學(xué)研究的基本問(wèn)題糖鏈通過(guò)識(shí)別所介導(dǎo)的功能如何實(shí)現(xiàn)小分子對(duì)HIV病毒在體內(nèi)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控有機(jī)過(guò)氧化物抗瘧作用的化學(xué)機(jī)制蛋白質(zhì)是如何折疊的在蛋白質(zhì)中引入非天然氨基酸活體狀態(tài)下專(zhuān)一性標(biāo)記生物大分子的小分子熒光探針可以追蹤單個(gè)生物分子在活細(xì)胞中的運(yùn)動(dòng)嗎編后記

章節(jié)摘錄

　　分子間弱相互作用與功能超分子材料的調(diào)控　　化合物按其成鍵本質(zhì)粗略地可分成離子鍵化合物和共價(jià)鍵化合物。離子型的無(wú)機(jī)物多為離子鍵相結(jié)合的化合物；有機(jī)分子和有機(jī)高分子為共價(jià)鍵相結(jié)合的化合物。有機(jī)化合物常指碳和氫生成的或碳與氫一起和氧、氮以及少數(shù)其他元素生成的化合物；除有機(jī)化合物以外的一切物質(zhì)，包括所有元素，以及碳的氧化物、碳酸鹽等都為無(wú)機(jī)化合物。超分子化學(xué)是高于分子層次的化學(xué)，研究的是由多個(gè)分子通過(guò)分子問(wèn)弱相互作用結(jié)合在一起具有高度復(fù)雜性的實(shí)體。超分子體系中，分子之間的相互作用并沒(méi)有形成強(qiáng)的化學(xué)鍵，僅存在較弱的動(dòng)力學(xué)活潑的非共價(jià)鍵（諸如靜電相互作用、van der waals力、疏水效應(yīng)、π-π堆積相互作用和氫鍵等）。正是這種弱相互作用決定著生命體中的信號(hào)轉(zhuǎn)換，離子和小分子選擇性跨膜傳輸，酶反應(yīng)或更大組合體的生成等，非共價(jià)相互作用決定了體系一系列物理特性和膜、膠束、囊等大組合體中兩性分子的組織作用，特定的分子間相互作用引起了各種化學(xué)、物理和生物中高選擇性識(shí)別、反應(yīng)、傳輸和調(diào)制過(guò)程，這些過(guò)程賦予體系特定的功能性質(zhì)。超分子自組裝聚合物是獲得功能材料的有效手段之一，分子磁體、分子開(kāi)關(guān)、分子導(dǎo)線(xiàn)、分子存儲(chǔ)器以及分子控制器、分子機(jī)器等研究取得了重要進(jìn)展，弱相互作用中新信息的開(kāi)發(fā)利用無(wú)論在理論還是在實(shí)踐上都有重要意義?！　〕肿泳w結(jié)構(gòu)的堆積狀況來(lái)自于組分形狀（決定堆積效率和斥力）、特定官能團(tuán)相互作用和協(xié)同效應(yīng)（決定誘導(dǎo)效應(yīng)和電荷遷移）。

編輯推薦

　　所提出的化學(xué)“難題”或問(wèn)題，正是當(dāng)今國(guó)際學(xué)科發(fā)展的若干前沿和研究熱點(diǎn)，也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中迫切需要解決的問(wèn)題，體現(xiàn)了我國(guó)化學(xué)科學(xué)的巨大進(jìn)步，也反映出我國(guó)化學(xué)科學(xué)光輝成就的一個(gè)側(cè)面和部分縮影。具體內(nèi)容包括高性能非線(xiàn)性光學(xué)材料、功能配合物的可控合成、金屬藥物的作用機(jī)理、高效的光分解水制氫納米材料、超高比容量鋰離子電池的納米電極材料等。

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