第三章

刚才我们讲到的几个例子，团簇，单链或者单个离子在满足刚才提到的条件下都能够表现出磁体的性质，那么这样的单分子磁体能够用到什么地方去呢？有一个非常年轻的领域，就是分子自旋电子学，用这样的单个分子有可能构造分子自旋晶体管，分子自旋阀等器件。这样一个分子磁性的领域如果和现在的超快光学和电子学结合，应该都可以发展出新的分子自旋电子学。我们正在做的分子磁性这个领域则为分子自旋电子学的发展提供了物质基础，现在需要我们做进一步的研究，去了解这样的单个的分子能够在单分子的状态下的导电性质是什么样的？在加磁场和不加磁场的时候导电性质有什么不一样？可以在此基础上构造一些器件。欧洲最近有一些进展，刚才提到的第一个单分子磁体Mn12，放在表面上会与表面发生反应，不能够保持体相时候的单分子磁体性质，最近发现的一个Fe4的单分子磁体，放在表面上测到的单分子层的磁滞回线，这个磁滞回线是通过X射线磁圆二色的方法测到的，这个磁滞回线也观察到隧穿的过程。上个星期（2010年11月18日）Nature 上有一篇报道，他们进一步研究了单分子层中易轴的取向是什么样的，这个取向对磁滞回线和隧穿的影响。我们最近也得到了一类Fe4的分子，这些分子是手性的单分子磁体，在低温的时候表现出的磁性和他们报道的性质也是比较类似的。

我们研究组这些年的研究主要是体相晶态材料的研究，进一步的研究是要和物理或者表面化学的科学家通过超高分辨的STM 来看单个分子的行为。这里面也有很多问题，我们并不知道哪些分子对于构造分子自旋电子学的器件有用，但是如果是能够表现磁体行为的单分子磁体或者单离子磁体，我们就可以研究磁场存在与否下的输运行为，但是把一个分子放在表面上能够看得到它本身就不是一件容易的事情，还有分子与周围分子以及基质表面的作用等等，这都需要我们通过高灵敏的技术去研究。

关于磁性分子，我通过介绍这几个例子说明传统的长程有序的磁体是需要三维的连接的体系，但是单个分子、或者孤立的分子甚至孤立的离子也能够表现出类似“磁体”的行为，比如说有磁滞。但是想得到这样的分子还是要搞清结构和性质之间的关系，才能设计出表现期望性质的磁体。一个方面，我们可以看到分子磁性的领域与物理学、材料学以及化学内部本身有很多交叉的地方，现在化学的前沿领域也都是在一些交叉的领域，但是在交叉的领域中也是有很多化学问题，包括怎样设计合成这样一些分子，要合成这样的分子，就要理解结构性质之间的关系，在分子层面上理解结构性质之间的关系这也是化学的核心问题。所以从这样一个对磁性分子的研究我们可以看到一方面这个学科在不断地交叉融合，另一方面我们还是有很多化学的核心的问题。

下面我们回到对化学的理解，这个学科实际上是在分子层面上研究理解物质的组成、结构、性质和转化，性质包括化学反应性和物理性质，比如我们前面讲到的磁性就是物理性质，对化学来说最重要的还是物质间的转化，如何把一种物质转化为另一种物质，这就是我理解的化学。化学核心的概念和内容，包含了这样三个方面，第一方面包括要理解是什么样的作用使原子拉到一起形成分子，这就是化学键，也就是分子内的相互作用，现在化学的很多研究，特别是生物和材料方面的研究更关注分子间的作用，弱的相互作用对于结构和性质的影响。总而言之，分子内、分子间的作用是化学所关注的核心内容之一；另一方面就是合成与反应，这也是和化学的本性，就是物质的转化相关的。化学从本源上讲就是研究物质之间的变化，转化的机理和过程是什么，怎样设计得到目标产物，比如材料和药物的合成，包括化石能源的有效利用都和合成与反应是相关的；第三方面就是结构和性质的关系，不仅仅是几何结构，还包括电子结构及其与性质间的关系。与其他学科最显著的区别，化学不单纯是认识天然物质是什么，有怎样的结构和性质，更重要的是创造新物质。比如天然的磁铁矿之所以让人们感到好奇，就是因为它隔着一定的距离可以产生力的作用，后来人们就去研究这样的天然物质，认识到了它的组成是铁和氧，认识到了它的晶体结构和亚铁磁的磁结构，才有了对于磁性的理解，然后人们就去根据这样的理解合成了新的亚铁磁体。创造新的物质是化学区别于其他学科最本质的地方。物质间的转化一直是化学的核心，古代的时候不论是西方还是东方，化学家研究最多的还是炼金术和炼丹术，就是探寻物质间的转化。我们知道牛顿是伟大的物理学家和数学家，但他晚年花了30年的时间来研究化学，研究物质的转化，研究怎样炼金。据说他的头发中汞的含量严重超标。他研究的就是怎样把一种元素转化为另一种元素。我们现在知道，这是不可能的。通常来说，原子是化学家进行分子建筑和转化的最小单元。

现在我们在日常生活当中，包括国家重大的规划中常常看不到化学的字眼，好像在公众的眼中，化学的出现总是和污染联系在一起。实际上，我们现在要解决当今世界的任何主要问题，可以说都离不开化学，这包括疾病、能源、改善环境的问题，创造新的材料都和化学密切相关。2007年的时候美国的National Research Council 出了一本书，回顾和展望美国化学研究的状况，化学的优势和挑战是什么。他们把化学分为了这样一些领域，就可以看到化学现有的领域以及和其他学科的交叉融合，这些领域包括分析化学、大气化学、生物化学、化学教育、无机化学、大分子化学、材料科学与纳米化学、核与放射化学、有机化学、物理化学、理论与计算化学。还有一本书Beyond the Molecular Frontier ，中文翻成《超越分子前沿》。实际上我今天的报告本来想用这样一个题目，就是“超越分子前沿”。我过去在其他不同的场合也用这个题目讲过。这本书由我们学院的陈尔强教授和其他几位老师一起翻译出版，美国2003年出版了这本书，我们在2004年把这本书翻译出来。它主要也是探讨现代的化学和化工在各个领域面临的主要挑战，包括合成与生产，包括物质的化学与物理转化，包括物质的鉴定分离和成像，还有物质结构的测量，包括理论与计算建模，包括与生物及医学的交叉，包括材料设计，大气与环境化学、能源，国家与个人安全。这本书写得比较全面，与化工一起来谈化学面临的一些挑战。概貌地描述了当今化学的主要研究领域、前沿方向，与生命、材料的交叉融合是相当显著的特点。我想与大家分享一个观点，Harvard大学的George Whitesides 有一个关于化学学科发展的观点。他认为目前化学还处在一个婴儿阶段，很多问题还不清楚。比如说分子和分子间如何进行反应我们还没有一个清楚的理解，迄今只有最简单、最简单的反应我们能够知道反应的途径是怎样的。但是稍微复杂一点的反应，到底反应的过程是怎样的，人们都还不清楚。在未来，化学是会重生还是消亡？因为人们看到化学的字样越来越少，我们可以看看物理学和生物学的发展，在20世纪，物理学的发展有着从牛顿的经典力学到量子力学的突跃式发展。生物学在20世纪50年代有一个分子生物学的突跃式发展。这种革命式的发展在20世纪的化学中没有发生，尽管在20世纪，化学在人类食物供给、药物合成等方面起到了重要的作用，但是化学的发展没有出现这样的突跃。这种革命性的发展和进步，他提出有两个驱动力，一个是许多实验的现象、观察用现在的理论解释不了，另一个则常常取决于其他科学技术的革命，比如核磁、激光、质谱、X 射线衍射等，这种技术的突破也会带来化学上的进步和发展。过去，化学的研究更多地局限于某一学科的二级学科或者三级学科内，有越分越细的趋势，但是最近的一二十年，化学的发展更倾向于学科间的交叉融合，包括化学与生命科学、化学与材料科学等，但是化学在这里起到的作用到底是leader 还是follower 的地位呢？现在还不好说。

前两年，教育部、基金委、科学院、科技部组织编写了一套书，一万个科学难题，化学卷收编了约两百个问题。看了以后还是有很多的启发，化学还是有很多问题没有解决。

美国的自然科学基金会原来给化学的资助是按照二级学科进行分类，我们的基金委也是这样分类的，但是从2009年暑假开始，他们把化学分成了八个类，其中有四个是核心化学，四个是与其他学科交叉的领域，四个核心基础化学：化学合成和结构，化学动力学和机理，化学测量和成像，还有理论模型和计算方法，这是基础化学的内容。多学科交叉的四个方向：环境化学，生命过程的化学，化学催化，大分子和超分子以及纳米化学。这样的重组，也反映了化学领域不断地变化，不断地和别的学科进行融合。

不管怎样改变，我今天表达的一个看法是：化学是有这样一个交叉融合趋势，但是作为化学核心的内容，在交叉融合的过程中，化学的核心的概念和内容没有变，还是在研究分子层面的物质转化、结构和性质的关系。联合国确定了2011年是国际化学年，主题是“化学，我们的生活，我们的未来”。届时世界各地都会组织各种各样的活动，我们国内的中国化学会，中科院化学学部都会组织许多活动，主要是希望大家通过这样的活动更多地了解化学是怎样的一个学科。

我再简单介绍化学学院的一些基本情况。现在不知道是什么原因，有些媒体上也在报道，说是“理科去清华，文科在北大”。实际上这是一个完全错误的观念。100年前（1910年），京师大学堂开始办分科大学，就是分专业，当时的专业就有格致科，包括化学、物理、地质。化学学院的前身是格致科化学门，1910年第一次招了7个学生，1917年开始招研究生，招了14人，1919年成立了化学系。解放前的北大化学系，兴盛期应该是30年代，曾昭抡先生做系主任的时候，当时招揽了许多优秀的人才，他们在研究和教学方面都有不少引领性的改革措施。50年代院系调整，北京大学、清华大学和燕京大学三校化学系合并在一起成立了北京大学化学系。从50年代开始，北京大学化学系就一直是全国教育和研究实力最强的化学系，1994年以后成立了化学学院。一百年来，化学系有很多优良的传统，包括教育与研究并重、理论与实验结合、还有基础科学与应用科学的结合等。几年前，我的导师徐光宪先生得到国家最高科技奖，主要是因为他在串级萃取理论方面研究，应用到稀土的分离。我们现在的教师队伍有30位杰出青年基金获得者，有15位长江特聘教授，各个学科都有一批优秀的年轻的学术带头人。我们是全国化学院系中唯一的五个二级学科都是重点学科的化学院系。今年（2010年）5月份的时候，我们做了一个百年纪念的庆典，当时美国化学会、英国皇家化学会、日本高分子学会和其他许多化学教育与研究单位以及我们1600名校友，都来庆祝我们的一百年庆典。美国化学会Chemical &Engineeing News在8月初对于我们化学学院的情况还有一个专门的报道。这期间，我们也有几本杂志出专刊，包括《先进材料》、《亚洲化学》、《配位化学评论》和国内的《物理化学学报》，一共出了四本专刊纪念我们的化学学科一百年。一百年来，北京大学化学学院培养了15000多名本科生和研究生。在北京大学化学学院学习和任教过的两院院士44名，包括兼职教授在内66名。他们在世界各地，为科学进步和社会发展做出了贡献。

我今天从一个非常小的角度，就是分子磁性的角度来讨论两个问题，分子能否成为指南针，单个分子能否成为磁体。再一个，就是结合化学学科的发展，谈一下化学的核心是分子层面上物质的转化、结构和性质。我就介绍这么多。谢谢大家。