中国学科发展战略·理论与计算化学
总论 / 理论与计算化学发展战略纵览
总论理论与计算化学发展战略纵览
第一节理论与计算化学在基础科学中的地位
一、化学在经济社会发展中的作用
化学源于人类改善生活条件和生存环境的追求与实践，人们力求掌握物质化学变化的规律，通过化学变化制造新物质和发现物质新功能，创造社会财富和保障人类健康。经历二百多年的努力，化学为人类做出了巨大的贡献，现代社会生产中的很多支柱产业是利用化学研究成果建立和发展起来的。占我国GDP约20%的化学工业是化学研究成果转化为产业的直接结果；作为现代农业生产基础的氮肥工业是以合成氨的发明为基础的；制药工业中的大部分产品是化学合成的新物质；能源中汽油和柴油的大量产出也依赖石油催化裂化反应的发现；现代社会人类使用的材料，绝大部分都基于化学研究的成果。可以说没有化学研究，就没有现代物质文明。从人类发展的前景看，当前可持续发展面临的很多难题的解决也还离不开化学研究。能源问题中，太阳能高效利用关键在发明优异的太阳能电池材料；光解水产氢产业化必须找到高效光催化剂；纯电动汽车普遍使用必须解决燃料电池或者二次电池的问题。低碳环境的彻底实现有赖于找到有效的碳循环方式，实现碳的不同形态之间的化学转换。资源的深度加工和高效利用需要通过化学研究发现新的利用途径和开拓新的应用领域。尽管目前化学工业是环境污染源之一，妥善解决控制和保护环境的问题还有赖于弄清楚与污染物的种类、来源、传播途径和处理方法相关的化学过程。更应该指出：解决人类健康的问题，从根本上说离不开化学研究。任何生命现象都伴随有化学过程，只有充分了解那些化学过程，才能理解和调控生命过程，圆满解决人类的健康问题。简言之，化学的进步必然推动材料科学和生命科学的进步，并直接推动化工及相关产业的进步，还将带动很多现代产业的科技进步，为多种产业的更新换代提供科学基础支撑。化学是一门满足社会多方面需求的、实用和创造性的中心科学，化学的进步对人类现在的生活和将来的发展都有重要意义。
二、理论与计算在化学发展过程中发挥重要作用
早期化学的发展主要依靠实验探索和总结经验，被看成纯实验科学。实际上理论与实践总是伴生并行，相互促进的。早期化学也有理论，化学家在实践摸索前进的过程中建立的理论对化学发展起重大作用，获得的化学研究成果对二十世纪初建立化工及相关产业有重大贡献。但未掌握化学变化的微观本质，实验探索盲目性较大，研究进展缓慢。在力求掌握物质化学变化规律的进程中，化学家结合自己的研究工作，不断吸纳物理学和其他学科的研究成果，全面利用各种科学技术的成就，形成有自身特色的现代化学科学，而化学的进步对其他学科的发展也做出重大贡献。从基础科学的角度看，化学上承数学、物理学，下接生命科学、地球科学，是传统基础科学群的中心科学。
科学研究的核心任务是掌握事物发展变化的规律，提高理性认识水平，而科学理论是学科领域内理性认识的精华和系统表述。在化学学科发展的过程中，吸纳物理和数学的理论研究成果，特别是热力学、统计力学和量子力学理论成果，利用计算机科学高速发展提供的强大计算能力，构建自身的理论体系，用于化学过程以及与之相关的生命过程、材料功能以及其他领域的研究中，逐步形成理论与计算化学。在将物理和数学的一般理论和方法用于处理化学问题的过程中，针对研究对象的特殊性提出解决问题的具体理论和方法，丰富了一般理论和计算方法的内涵；而遇到的难以解决的某些问题则成为物理学或者数学的研究对象，引发对相关科学问题的深入研究，促进了学科的发展。理论与计算化学方法用于生命过程、材料科学、能源和环境等领域中化学有关问题的研究，更对这些学科的发展起到直接的促进作用。
理论反映学科不同发展阶段的水平和特征，化学理论的进步，标志着化学作为一门科学的不断成熟。我们可以从近百年来诺贝尔化学奖的情况看理论化学在化学发展过程中的重要作用。诺贝尔化学奖迄今颁奖共106次，颁给理论与计算化学的奖项达20次，其中1954~2014年的61年中理论与计算化学获奖14次，亦即理论与计算化学研究成就占比约20%。此外，与理论计算密切相关的获奖项目还有两次，详见表01，这显示出理论与计算在推动化学学科整体进步中的作用和重要性。化学理论是化学知识理性认识的集中体现，构成理论化学的核心内容，是化学的“头脑”；而计算化学则帮助头脑想得更深远、更缜密。在化学探索中，理论引导思维，思想指挥行动，指导思想是否正确，在很大程度上决定研究的效率乃至成败。历史情况是：在理论和计算化学的形成过程中，其重大进步总是伴随有整个化学学科阶跃式进步；不但推动整个化学学科的进步，还促进生命、材料、环境科学的进步，乃至带动很多产业的更新换代。近年来，基于理论与计算化学的迅速发展，化学正在从偏重实验探索转变为依赖“实验、计算、理论”三方面协同推动前进的科学，进入发展的新阶段。当前理论与计算化学正处于蓬勃发展阶段，制定正确的发展战略，建立合理的资助机制和采取必要的促进其发展的政策措施，不但对加速我国这一学科本身的发展有重要作用，对因此产生的对化学整体以及相关学科发展进步的推动作用更有重大意义。理论与计算化学发展水平与其在有关科研人员中普及的情况将在很大程度上决定我国化学及相关学科的整体发展水平。