10000個科學難題(化學卷)

前言

　　愛因斯坦曾經(jīng)說過“提出一個問題往往比解決一個問題更為重要”。在許多科學家眼里，科學難題正是科學進步的階梯。1900年8月德國著名數(shù)學家希爾伯特在巴黎召開的國際數(shù)學家大會上提出了23個數(shù)學難題。在過去的10多年里，希爾伯特的23個問題激發(fā)了眾多數(shù)學家的熱情，引導了數(shù)學研究的方向，對數(shù)學發(fā)展產(chǎn)生的影響難以估量?！　∑浜螅S多自然科學領域的科學家們陸續(xù)提出了各自學科的科學難題。2000年初，美國克雷數(shù)學研究所選定了7個“千禧年大獎問題”，并設立基金，推動解決這幾個對數(shù)學發(fā)展具有重大意義的難題。幾年前，中國科學院編輯出版了《2l世紀100個交叉科學難題》，在宇宙起源、物質(zhì)結構、生命起源和智力起源四大探索方向上提出和整理了l00個科學難題，吸引了不少人的關注?！　】茖W發(fā)展的動力來自兩個方面，一是社會發(fā)展的需求，另一個就是人類探索未知世界的激情。隨著一個又一個科學難題的解決，科學技術不斷登上新的臺階，人類社會發(fā)展也源源不斷獲得新的動力。與此同時，新的科學難題也如沐雨春筍，不斷從新的土壤破土而出。一個公認的科學難題本身就是科學研究的結果，同時也是開啟新未知大門的密碼?！　　秶抑虚L期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》提出建設創(chuàng)新型國家的戰(zhàn)略目標，加強基礎研究，鼓勵原始創(chuàng)新是必由之路。為了引導科學家們從源頭上解決科學問題，激勵青年才俊立志基礎科學研究，教育部、科學技術部、中國科學院和國家自然科學基金委員會決定聯(lián)合開展“10000個科學難題”征集活動，系統(tǒng)歸納、整理和匯集目前尚未解決的科學難題。根據(jù)活動的總體安排，首先在數(shù)學、物理學和化學三個學科試行?！　≌骷顒映闪⒘祟I導小組、領導小組辦公室，以及由國內(nèi)著名專家組成的專家指導委員會和編輯委員會。領導小組辦公室公開面向高等學校、科研院所、學術機構以及全社會征集科學難題；編輯委員會認真討論、組織提出和撰寫骨干問題，并對征集到的科學問題嚴格遴選；領導小組和專家指導委員會最后進行審核并出版《10000個科學難題》系列叢書。這些難題匯集了科學家們的知識和智慧，凝聚了參與編寫的科技工作者的心血，也體現(xiàn)了他們的學術風尚和科學責任?！　￠_展“10000個科學難題”征集活動首先是一次大規(guī)模的科學問題梳理工作，把尚未解決的科學難題分學科整理匯集起來。

內(nèi)容概要

　　《10000個科學難題(化學卷)(精)》的讀者對象廣泛，不僅可作為高校和科研部門研究生基礎和應用基礎研究的參考選題；也可作為大學生擴大知識領域的參考書；還可作為激發(fā)中學生科學興趣的輔佐讀物。同時，也可供有關政府和管理部門的領導和工作人員閱讀。 《10000個科學難題·化學卷》一書由我國當前活躍在科研第一線的老中青優(yōu)秀學者、專家編篡，匯集了一批涉及化學科學各分支領域國際發(fā)展前沿和熱點以及我國經(jīng)濟社會發(fā)展需求有待解決的“難題”或問題。全書內(nèi)容覆蓋面廣，交叉性強，富有前瞻性、先進性和重要性。書中既闡明了這些難題的科學內(nèi)涵，指明了探求的方向和思考空間；同時，也反映出我國學者的高學術水平和我國化學科學的顯著進步。

書籍目錄

《10000個科學難題》序序前言晶體缺陷的測定及其與固體性質(zhì)的關系無機有序多孔材料的設計合成金剛石的化學合成高透量無機分離膜的制備上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料及其應用高性能非線性光學材料高壓化學動力學穩(wěn)定的高能材料手性自發(fā)拆分的預測與調(diào)控金屬-金屬（多重）鍵基于分子磁性的分子自旋電子學研究可用于量子計算機的分子磁體材料的設計合成有機導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渡金屬促進的硼-氫鍵活化金屬藥物的作用機理金屬酶模擬硒蛋白的結構、功能與化學模擬重元素的相對論效應復雜材料的第一原理電子結構方法所面臨的挑戰(zhàn)水結構之謎高轉(zhuǎn)化效率的納米材料太陽能電池高效的光分解水制氫納米材料高效納米儲氫材料新型碳納米材料納米粒子為單元的多級次程序化組裝生物無機材料的仿生化學超高比容量鋰離子電池的納米電極材料固態(tài)電極離子/電子輸運過程及其耦合機理燃料電池新型質(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能電池由二氧化硅化學法一步制備高純硅氫的安全高效儲存金屬氫的制備煤炭的低成本氣化技術纖維素的低成本、規(guī)模化制備燃料乙醇界面有機光電效應過渡金屬催化劑上N2催化加氫成氨的作用機理問題催化劑活性基團的仿生組裝多相催化反應機理和活性中心的表征甲烷選擇氧化制有機含氧化合物的高效催化體系電催化表面結構效應減少機動車尾氣污染的新型催化劑溫室氣體的捕集、儲存和轉(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材料有機分子磁體多功能內(nèi)集成的單分子器件材料老化過程的化學動力學無機晶體結構預測材料/細胞界面結構及相互作用復雜體系的腐蝕電化學研究富勒烯的形成機理材料合成中分子有序組合體模板的機理問題分子有序組合體的理論模擬與設計表面增強光譜學的統(tǒng)一理論表面手性結構的形成、識別與控制電化學界面結構的理論模型超臨界流體中的微觀聚集行為對化學反應熱力學性質(zhì)的影響水在生命化學過程中的作用分子反應的本質(zhì)和控制時間分辨的化學反應動力學非正交軌道的價鍵理論Hamiltonian矩陣計算密度泛函理論及其應用普適的線性標度第一性原理電子結構理論能同時處理強相互作用和弱相互作用的密度泛函理論從弱到強電子耦合強度下的電子轉(zhuǎn)移動力學和速率理論碳-氫鍵的活化碳-碳鍵的活化二氧化碳的固定和活化氮氣的固定與活化有機化合物的直接氟化“綠色”氧化新型反應介質(zhì)自由基、卡賓的選擇性控制有機金屬絡合物催化性能的預測串聯(lián)反應及多組分反應多樣性導向的有機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反應的時間分辨分子識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機制與應用手性農(nóng)藥“綠色”農(nóng)藥的分子靶標農(nóng)藥的生物合理設計農(nóng)藥的劑量傳遞鏈式縮聚反應螺旋選擇性自由基聚合反應非石油路線合成高分子聚電解質(zhì)的構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)變鏈狀大分子半結晶織態(tài)結構的調(diào)控高分子同體中的鏈纏結與網(wǎng)絡結構光子學聚合物的構筑聚合物光子晶體聚合物太陽能材料共軛聚合物分子的電荷傳輸機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高分子材料生物合成高分子材料的基礎問題智能和靶向性醫(yī)用高分子骨修復中的組織工程技術分析化學中的若干科學問題實時動態(tài)檢測細胞內(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)的結構與功能信息的新方法可以直接給出分子結構的高分辨成像技術自由基動態(tài)原位檢測與調(diào)控細胞功能研究鹵鍵在化學和生物分子識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、純化可控電化學信號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胞之間信號傳導的定量化糖生物學與蛋白質(zhì)糖基化研究中的分析方法高靈敏度、高特異性電化學DNA生物傳感器的研究復雜蛋白質(zhì)樣品的高效分離分析蛋白質(zhì)復合物的大規(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)的復雜體系全蛋白質(zhì)組快速、靈敏定量技術生物大分子結構的NMR解析基于核磁共振的代謝組學分析技術微全分析系統(tǒng)的實現(xiàn)微流控芯片的液體混合生物芯片在蛋白質(zhì)組學中的應用生命體系中單分子檢測單分子DNA序列的測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域的應用基于量子點標記的生物活體動態(tài)示蹤成像基于譜學成像的多功能納米探針研究蛋白質(zhì)分子印跡方法學研究金屬組學元素形態(tài)分析復雜樣品系統(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（復雜體系干擾共存下多組分同時直接定量分析）小分子腫瘤標志物的發(fā)現(xiàn)和早期分析檢測疾病的預警和診斷系統(tǒng)食品中藥物殘留的多組分快速檢測仿生嗅覺和味覺傳感器的研究和發(fā)展復雜基體環(huán)境樣品的前處理高靈敏DNA損傷分析化學污染物的原位與形態(tài)分析有機污染物QSAR模型的機理建模與解釋汞的化學甲基化與活化手性化學污染物的環(huán)境行為持久性有機污染物的大氣長距離傳輸：冷捕集效應持久性有機污染物的生物富集與生物放大預測模型研究微囊藻毒素分子結構中Adda側鏈肽鍵的水解化學污染物的生物有效性平流層臭氧損耗的化學機制毒物興奮效應環(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污染物的基因毒性復合環(huán)境污染物協(xié)同毒性作用機理光催化降解有毒有機污染物水環(huán)境中PPCPs的微生物轉(zhuǎn)化與降解機制機動車尾氣催化凈化環(huán)境應用功能性納米的材料設計和構效關系納米金催化作用及在環(huán)境中的應用污染場地的化學強化修復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)學應用和安全性問題什么是天然產(chǎn)物的生物合成和組合生物合成合成生物學領域中天然產(chǎn)物藥物的微生物全合成人類基因G-四鏈體結構的化學基因組學研究的基本問題糖鏈通過識別所介導的功能如何實現(xiàn)小分子對HIV病毒在體內(nèi)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控有機過氧化物抗瘧作用的化學機制蛋白質(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)下專一性標記生物大分子的小分子熒光探針可以追蹤單個生物分子在活細胞中的運動嗎編后記

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鍵化合物。離子型的無機物多為離子鍵相結合的化合物；有機分子和有機高分子為共價鍵相結合的化合物。有機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、碳酸鹽等都為無機化合物。超分子化學是高于分子層次的化學，研究的是由多個分子通過分子問弱相互作用結合在一起具有高度復雜性的實體。超分子體系中，分子之間的相互作用并沒有形成強的化學鍵，僅存在較弱的動力學活潑的非共價鍵（諸如靜電相互作用、van der waals力、疏水效應、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轉(zhuǎn)換，離子和小分子選擇性跨膜傳輸，酶反應或更大組合體的生成等，非共價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、物理和生物中高選擇性識別、反應、傳輸和調(diào)制過程，這些過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、分子開關、分子導線、分子存儲器以及分子控制器、分子機器等研究取得了重要進展，弱相互作用中新信息的開發(fā)利用無論在理論還是在實踐上都有重要意義?！　〕肿泳w結構的堆積狀況來自于組分形狀（決定堆積效率和斥力）、特定官能團相互作用和協(xié)同效應（決定誘導效應和電荷遷移）。

編輯推薦

　　所提出的化學“難題”或問題，正是當今國際學科發(fā)展的若干前沿和研究熱點，也是我國經(jīng)濟社會發(fā)展中迫切需要解決的問題，體現(xiàn)了我國化學科學的巨大進步，也反映出我國化學科學光輝成就的一個側面和部分縮影。具體內(nèi)容包括高性能非線性光學材料、功能配合物的可控合成、金屬藥物的作用機理、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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