化学研究课题的某些特征
化学先生 / 2019-08-08
化学研究课题具有一般科研课题的基本特征。
“科学研究工作最大的特点在于探索未知,科学研究成果的意义也正在于此。”科学研究,就是提出问题并进而解决问题的过程。科研课题必须是科学上需要解决而尚未解决的问题。
但是,并不是任何上述问题都可以作为科研课题的,科研课题还必须是用科学术语表述出来的、明确具体的问题。即实验课题中必须包含有可控条件,理论课题中必须有严格的范围。这种科学问题在解决之后,结果才可能明确具体,其他研究者才能重复验证,才具有科学意义。用空泛抽象的语言表述的、条件和范围都很含糊的问题,不能算严格意义上的科研课题。
科学发展到今天,人类对自然界的认识已经获得了许多有意义的成果。但是,自然界是无限的,人们的认识也是无限的,人类仍然面临着广大的未知领域。而我们对未知领域的认识又只能是世代更替逐步通近的。这就决定了一代人不可能把前人提出的用科学术语表述出来的、明确具体的问题一下子都解决。所以,我国著名学者严济慈先生指出,科研课题还必须是经过努力短期内能够解决的,而不是那种经过十年、二十年甚至几代人的努力都没有希望解决的问题。
除了这三个一般特征外,由于化学研究对象对及化学学科的历史和现状的特殊性,化学研究课题还有自身的一些特点。
在机械运动、物理运动、化学运动和生命运动这四种自然界的基本运动形式之中,化学运动的复杂性处于中间的层次。物理学相对成熟一些,原因之一就是它所研究的运动形式简单一些,绝大部分现象都可以借助仪器直接或间接观测到并能用数学描述。生物学研究的物质运动形式最复杂,决定生命许多宏观现象的微观机制现在还无法解决。“化学是变革分子的一类过程。”人们已经能够预言并合成前所未知的结构奇特的化合物,如链环烷( catenanes)和轮烷( rotaxanes)等。液相中分子碰撞到激烈振动发生断键和成键的时间在10负13次方秒数量级,跟踪这种变化需要拥有分辨力为10负14次方~10负15次方秒的观测手段。20世纪80年代末,美国化学家泽维尔( Ahmed H. Zewail)用世界上速度最快的激光照相机(这种相机用几十万亿分之秒的速度闪光),拍摄到了百万亿分之一秒瞬间处于化学反应中的原子化学键断裂和形成的过程。这一研究开创了一门新的化学分支一一飞秒化学。飞秒即千万亿分之一秒,飞秒化学使化学家的研究已经开始深入到观测微观过程,设计和合成有特定功能的复杂化合物,并开始向严密推理阶段过渡。一方面,化学要研究比物理运动更复杂的运动形式;另一方面,它又比生物学更能有条件地去接近自己的复杂对象。这就是化学研究课题所特有的状况。
实验研究方面课题的复杂性突出反映在有机合成上。例如,1981年完成的人工合成红霉素的课题中,仅红霉素分子中大环内酯环系的合成就异常复杂,它含有10个不对称碳原子,因而可能的立体异构数目可达1024个之多。要在这么多可能出现的结构中,通过控制立体定向反应,唯一地得到需要的产物,是极为困难和复杂的。
理论研究方面课题的复杂性,明显地表现在对理论的定量化和严密性要求上例如,科学家在量子化学中采用的1CAO方法,计算的积分数与电子数的四次方成比例。一个由20个原子组成的分子就可能包含100个电子,所需计算的积分数就是1亿个,只有借助于大型电子计算机才能完成,这说明计算化学的复杂性。
现代化学中已经形成了一些比较有效、准确的理论,可以用来指导实验研究但是有许多理论还远不够完善,特别是还没有达到完全定量化的阶段。现代化学的这种特定状况,要求人们在进行实验研究时,既要运用已有的理论,同时又要在实验过程中对已有理论进行修正,充实和发展,甚至提出新的理论。所以,现代化学研究中有不少难度较大的课题,既要求有理论研究,又要有实验探素,在同一个课题中理论和实验相互交错,相互融合。
例如,生素B(CHN.O.PCo)的合成由19个国家的10多位化学家经亿有理过11年的共同努力才完成。这个课题中就含有理论研究和实验探索两方面的内容。伍德沃德正是在研究这个课题的过程中,产生了分子轨道对称守恒原理的基本思想,他与夫曼一起提出了分子轨道对称守恒原理,继而又用这个理论推动了复杂的有机合成工作。
21世纪现代自然科学的发展有两个重要特征:一是学科渗透的趋势不断加剧,在传统学科的交又点上出现了许多新兴学科;二是科学与生产的联系日益密切,科学转化为直接生产力的周期愈愈短。由于研究对象的特殊性,化学与人类生活的各个方面有着最为广泛的联系,使它在满足社会经济和人民生活需要上具有特别重要的地位。正如霍尔曼所说,化学处处都有,化学独特的原理多方面地解释了世界也如洼菲所说,“化学是生活”,“是一个行多科目相遇的连接点”。化学在现代科学和社会背景中的这种地位,使它的应用意义十分明显。化学与其他基础学科和技术学科的交又点上,出现了不少有意义的重大课题,这些课题吸引了许多学者的注意力。
化学与物理学、生物学、地学、天文学等基础学科相互渗透过程中涌现出大批新课题,这课题已经引起了人们的高度重视,并在研究中取得了许多可喜的成就。在新材料和新能源的开发,生物技术和微电子技术,以及医药、食品等工业中,许多关键性的化学研究课题已经提出,且随着新的技术革命的深入发展,这类课题还将不断涌现。例如,人们预计,随着电子技术的微型化,可能要发展到用单个分子来作为功能电子组件。有人设计了超小型规模的把交流电转换成直流电的分子整流器。如何合成类似单分子的化合物,则是微电子技术向化学提出的课题。化学模式识别用于医学、石油勘探和食品工业等也出现了不少研究课题。可以有充分的理由说:几乎没有什么学科,没有什么部门不与化学发生联系,不向化学提出研究课题的。
现代化学研究课题除广泛深入实际、在交又点上共生、与其他学科渗透、微观化等突出的特征以外,还有实用性强、产品商业产业化的速度快和周期短等特点,这也是为什么市场上各类化学产品十分丰富的原因。
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