化學前景如何？ (2)

化學前景如何？ (2)
知識通訊評論第100期

未來的十年，我們將學會如何以務實的方式進行人造光合作用

艾利維薩多（Paul Alivisatos）
複製光合作用

加州勞倫斯柏克萊國家實驗室主任

未來的十年，將是我們終於學會如何以務實的方式進行人造光合作用的時候。我們的目標可以追溯到卡爾文（Melvin Calvin，一九一一～一九九七），他開發我們對生物界碳循環的了解，並發掘了人類使用穩定循環能源的必要性。人造光合作用系統可以為我們的未來提供一種永續的能量型式。這重大的挑戰，需要化學家解決許多深入且長期存在的問題。例如，我們需要更深入了解多電子和多步驟催化活動，使我們能夠設計出更好的催化劑，以從水生成氧氣，並將二氧化碳還原為燃料。我們需要學習如何組裝精準的多成分奈米級光吸收和電荷分離系統，並將其與催化劑整合。這些系統需要從存量豐富的材料製備，且其製程必需可以廉價的方法擴展到廣大的地區。

七○年代末和八○年代初有些對此問題的探討，但隨後出現了三十年的空白。在這幾十年中，奈米科學有長足發展，我們也掌握了新的理論和分析工具。

與其選擇一個最喜歡的科學家，我寧可提醒大家注意一篇了不起的論文：《空氣中碳酸對地面溫度的影響》(一八九六年）。在此文中，物理化學家阿瑞尼士（Svante Arrhenius，一八五九～一九二七）估計增加大氣中的二氧化碳一倍，會使地球溫度增加攝氏五度。幾年後，他將此數字精算至攝氏二點一度。當時，他認為人類活動不大可能導致這種升溫。到現在歷經一百多年，人類活動的規模已大大增加；我們可以看出，阿瑞尼士基本上是對的。

渥莉（Karen Wooley）
加強選擇性交互作用
德州農工大學

未來十年中醫療和其他應用的功能聚合物材料，其設計和研究的程序必須解決三個主要挑戰。首先，如何加強選擇性交互作用，同時避免非選擇性者，這樣分子才能針對體內的特定組織。二，化學家如何創造如同自然形成般單一、明確的結構，而不是現在實驗室作出的一群結構、組成和尺寸不同的材料？第三，有機合成化學家如何拓展製造天然藥物及類似物時，運用的精巧控制能力，以提供可供化學操作的新合成目標，其中包括核糖體和病毒。所有這些都需要更有效地控制分子間的相互作用。

當我還是個年輕女孩時，我很佩服居里夫人，但多年來，我欽佩幾個在現代化學中茁壯的「巨人」，特別是如格拉布斯（Robert Grubbs，二○○五年諾貝爾化學獎得主之一，因其對有機反應的貢獻）般，受科學的好奇心帶動，又能保持謙虛、友好的個性，積極成為青年化學家的師友。

金 （David King）
英國牛津大學史密斯企業與環境學院院長

未來十年中，將有希望出現高效率、可以廉價生產的光發電材料，這些會吸引建築師和建築商將之使用在建築物外（例如以塑膠、塗料或陶瓷等形式）從而徹底改變太陽能的利用。

我覺得啟發我最大的人物是近代化學之父拉瓦錫（一七四三～一七九四）。《化學基礎論》（一七八九）涵蓋了他主要的智慧貢獻，其中標記了對化學元素認識的發展、質量守恆定律、燃素理論的末日（此理論長久阻塞科學進展），甚至煉金術的終結。近代化學、材料科學和物理學的出現，在相當大程度上，奠基於這本書中展現的進步。

愛森柏格（Joanna Aizenberg）
促進永續生活
哈佛大學

化學家正在解決永續發展問題，並將繼續這樣做

化學家正在解決永續發展問題，並將繼續這樣做。它們循著以下幾條重要且相互關聯的途徑：發展高效率的替代能源、對自然資源聰明且永續的利用、保護環境、消除飢餓，以及改善全球各地人類的健康和生活水準。在所有這些領域所需的程序和材料，如有效利用太陽能、氫燃料、核廢料減量及處理、水淨化、使基於煤炭技術適應最高的環保標準，以及發展更高產量的作物，都需要化學家的貢獻，包括有機和無機化學、物理化學、高分子、材料和生物化學。

我最欣賞的是吉布斯（Josiah Willard Gibbs，一八三九～一九○三）。他對建立化學熱力學和物理化學有巨大的貢獻。他的研究跨越了數學、物理、化學和工程，無論就他的時代以及任何其他時代，都有宏大的廣度。他發現、研究和解釋的現象及定律，以及其中以他為名者，都極為令人印象深刻；光是其中一小部分，就足以使其作者躋身頂尖科學家之列，並留名青史。如果沒有「吉布斯自由能」，又何來今日的化學？

弗萊明 （Graham Fleming）
催化能源生產
加州大學柏克萊分校研究副校長

需要化學家幫助解決的主要問題（「重要」的問題再也不能由任何單一領域所解決）都涉及到能源及其產生和儲存。化學家可在創造比目前的電池能量密度加倍、只需五分之一成本（所以比原本好十倍）的電池上，作出關鍵貢獻；要使電動汽車成為現實，是不可或缺的。化學家需要開發出更好的催化劑，將太陽能轉換為液體燃料，並利用新的化學循環（目前不存在於自然界中）及地球上豐富的材料來創造有用的能源。他們需要與生物學家合作，改變自然生物機制，從根本上提高光合作用效率，以幫助食物和燃料的生產。

從長遠來看，化學家需要發展各種合成分子系統的方法，以調控自己的行為來對應外部變化，損壞亦能自我修復。最後一項要在十年中實現可能太過困難，但仍然應該是一個目標。

我崇拜的化學家是我的論文指導教授波特（George Porter ，一九二○～二○○二），理由是他開創性的科學研究能力（他也因此獲得諾貝爾獎）、他與年輕人和成年非科學家交流的能力，以及他對社會正義強烈的責任感。在我為英國皇家學會準備他的傳記體回憶錄的過程中，領略到了他投入了多少精力，以幫助無法獲准移民的蘇聯人獲得釋放和出境簽證。

偉人群像--這些科學家出類拔萃的研究，啟發了這一代的化學家