化學(xué)研究課題的某些特征
化學(xué)先生 / 2019-08-08
化學(xué)研究課題具有一般科研課題的基本特征。
“科學(xué)研究工作最大的特點(diǎn)在于探索未知,科學(xué)研究成果的意義也正在于此。”科學(xué)研究,就是提出問題并進(jìn)而解決問題的過程?？蒲姓n題必須是科學(xué)上需要解決而尚未解決的問題。
但是,并不是任何上述問題都可以作為科研課題的,科研課題還必須是用科學(xué)術(shù)語表述出來的、明確具體的問題。即實(shí)驗(yàn)課題中必須包含有可控條件,理論課題中必須有嚴(yán)格的范圍。這種科學(xué)問題在解決之后,結(jié)果才可能明確具體,其他研究者才能重復(fù)驗(yàn)證,才具有科學(xué)意義。用空泛抽象的語言表述的、條件和范圍都很含糊的問題,不能算嚴(yán)格意義上的科研課題。
科學(xué)發(fā)展到今天,人類對自然界的認(rèn)識已經(jīng)獲得了許多有意義的成果。但是,自然界是無限的,人們的認(rèn)識也是無限的,人類仍然面臨著廣大的未知領(lǐng)域。而我們對未知領(lǐng)域的認(rèn)識又只能是世代更替逐步通近的。這就決定了一代人不可能把前人提出的用科學(xué)術(shù)語表述出來的、明確具體的問題一下子都解決。所以,我國著名學(xué)者嚴(yán)濟(jì)慈先生指出,科研課題還必須是經(jīng)過努力短期內(nèi)能夠解決的,而不是那種經(jīng)過十年、二十年甚至幾代人的努力都沒有希望解決的問題。
除了這三個一般特征外,由于化學(xué)研究對象對及化學(xué)學(xué)科的歷史和現(xiàn)狀的特殊性,化學(xué)研究課題還有自身的一些特點(diǎn)。
在機(jī)械運(yùn)動、物理運(yùn)動、化學(xué)運(yùn)動和生命運(yùn)動這四種自然界的基本運(yùn)動形式之中,化學(xué)運(yùn)動的復(fù)雜性處于中間的層次。物理學(xué)相對成熟一些,原因之一就是它所研究的運(yùn)動形式簡單一些,絕大部分現(xiàn)象都可以借助儀器直接或間接觀測到并能用數(shù)學(xué)描述。生物學(xué)研究的物質(zhì)運(yùn)動形式最復(fù)雜,決定生命許多宏觀現(xiàn)象的微觀機(jī)制現(xiàn)在還無法解決。“化學(xué)是變革分子的一類過程。”人們已經(jīng)能夠預(yù)言并合成前所未知的結(jié)構(gòu)奇特的化合物,如鏈環(huán)烷( catenanes)和輪烷( rotaxanes)等。液相中分子碰撞到激烈振動發(fā)生斷鍵和成鍵的時間在10負(fù)13次方秒數(shù)量級,跟蹤這種變化需要擁有分辨力為10負(fù)14次方~10負(fù)15次方秒的觀測手段。20世紀(jì)80年代末,美國化學(xué)家澤維爾( Ahmed H. Zewail)用世界上速度最快的激光照相機(jī)(這種相機(jī)用幾十萬億分之秒的速度閃光),拍攝到了百萬億分之一秒瞬間處于化學(xué)反應(yīng)中的原子化學(xué)鍵斷裂和形成的過程。這一研究開創(chuàng)了一門新的化學(xué)分支一一飛秒化學(xué)。飛秒即千萬億分之一秒,飛秒化學(xué)使化學(xué)家的研究已經(jīng)開始深入到觀測微觀過程,設(shè)計(jì)和合成有特定功能的復(fù)雜化合物,并開始向嚴(yán)密推理階段過渡。一方面,化學(xué)要研究比物理運(yùn)動更復(fù)雜的運(yùn)動形式;另一方面,它又比生物學(xué)更能有條件地去接近自己的復(fù)雜對象。這就是化學(xué)研究課題所特有的狀況。
實(shí)驗(yàn)研究方面課題的復(fù)雜性突出反映在有機(jī)合成上。例如,1981年完成的人工合成紅霉素的課題中,僅紅霉素分子中大環(huán)內(nèi)酯環(huán)系的合成就異常復(fù)雜,它含有10個不對稱碳原子,因而可能的立體異構(gòu)數(shù)目可達(dá)1024個之多。要在這么多可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)中,通過控制立體定向反應(yīng),唯一地得到需要的產(chǎn)物,是極為困難和復(fù)雜的。
理論研究方面課題的復(fù)雜性,明顯地表現(xiàn)在對理論的定量化和嚴(yán)密性要求上例如,科學(xué)家在量子化學(xué)中采用的1CAO方法,計(jì)算的積分?jǐn)?shù)與電子數(shù)的四次方成比例。一個由20個原子組成的分子就可能包含100個電子,所需計(jì)算的積分?jǐn)?shù)就是1億個,只有借助于大型電子計(jì)算機(jī)才能完成,這說明計(jì)算化學(xué)的復(fù)雜性。
現(xiàn)代化學(xué)中已經(jīng)形成了一些比較有效、準(zhǔn)確的理論,可以用來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究但是有許多理論還遠(yuǎn)不夠完善,特別是還沒有達(dá)到完全定量化的階段?，F(xiàn)代化學(xué)的這種特定狀況,要求人們在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時,既要運(yùn)用已有的理論,同時又要在實(shí)驗(yàn)過程中對已有理論進(jìn)行修正,充實(shí)和發(fā)展,甚至提出新的理論。所以,現(xiàn)代化學(xué)研究中有不少難度較大的課題,既要求有理論研究,又要有實(shí)驗(yàn)探素,在同一個課題中理論和實(shí)驗(yàn)相互交錯,相互融合。
例如,生素B(CHN.O.PCo)的合成由19個國家的10多位化學(xué)家經(jīng)億有理過11年的共同努力才完成。這個課題中就含有理論研究和實(shí)驗(yàn)探索兩方面的內(nèi)容。伍德沃德正是在研究這個課題的過程中,產(chǎn)生了分子軌道對稱守恒原理的基本思想,他與夫曼一起提出了分子軌道對稱守恒原理,繼而又用這個理論推動了復(fù)雜的有機(jī)合成工作。
21世紀(jì)現(xiàn)代自然科學(xué)的發(fā)展有兩個重要特征:一是學(xué)科滲透的趨勢不斷加劇,在傳統(tǒng)學(xué)科的交又點(diǎn)上出現(xiàn)了許多新興學(xué)科;二是科學(xué)與生產(chǎn)的聯(lián)系日益密切,科學(xué)轉(zhuǎn)化為直接生產(chǎn)力的周期愈愈短。由于研究對象的特殊性,化學(xué)與人類生活的各個方面有著最為廣泛的聯(lián)系,使它在滿足社會經(jīng)濟(jì)和人民生活需要上具有特別重要的地位。正如霍爾曼所說,化學(xué)處處都有,化學(xué)獨(dú)特的原理多方面地解釋了世界也如洼菲所說,“化學(xué)是生活”,“是一個行多科目相遇的連接點(diǎn)”。化學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)和社會背景中的這種地位,使它的應(yīng)用意義十分明顯?；瘜W(xué)與其他基礎(chǔ)學(xué)科和技術(shù)學(xué)科的交又點(diǎn)上,出現(xiàn)了不少有意義的重大課題,這些課題吸引了許多學(xué)者的注意力。
化學(xué)與物理學(xué)、生物學(xué)、地學(xué)、天文學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科相互滲透過程中涌現(xiàn)出大批新課題,這課題已經(jīng)引起了人們的高度重視,并在研究中取得了許多可喜的成就。在新材料和新能源的開發(fā),生物技術(shù)和微電子技術(shù),以及醫(yī)藥、食品等工業(yè)中,許多關(guān)鍵性的化學(xué)研究課題已經(jīng)提出,且隨著新的技術(shù)革命的深入發(fā)展,這類課題還將不斷涌現(xiàn)。例如,人們預(yù)計(jì),隨著電子技術(shù)的微型化,可能要發(fā)展到用單個分子來作為功能電子組件。有人設(shè)計(jì)了超小型規(guī)模的把交流電轉(zhuǎn)換成直流電的分子整流器。如何合成類似單分子的化合物,則是微電子技術(shù)向化學(xué)提出的課題?；瘜W(xué)模式識別用于醫(yī)學(xué)、石油勘探和食品工業(yè)等也出現(xiàn)了不少研究課題?？梢杂谐浞值睦碛烧f:幾乎沒有什么學(xué)科,沒有什么部門不與化學(xué)發(fā)生聯(lián)系,不向化學(xué)提出研究課題的。
現(xiàn)代化學(xué)研究課題除廣泛深入實(shí)際、在交又點(diǎn)上共生、與其他學(xué)科滲透、微觀化等突出的特征以外,還有實(shí)用性強(qiáng)、產(chǎn)品商業(yè)產(chǎn)業(yè)化的速度快和周期短等特點(diǎn),這也是為什么市場上各類化學(xué)產(chǎn)品十分豐富的原因。
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