中國學科發(fā)展戰(zhàn)略丨光化學
光是生命起源和人類生存發(fā)展的物質(zhì)基礎之一。對光的研究派生了人類科學史上量子力學等許多重大科學領域。這其中，光化學是研究光與物質(zhì)相互作用所引起的化學效應的化學分支學科，始于20 世紀初。
光化學早期主要是研究處于激發(fā)態(tài)的分子的結(jié)構(gòu)及其理化性質(zhì)的科學。經(jīng)過上百年的發(fā)展，現(xiàn)代光化學的研究對象已經(jīng)不再局限于激發(fā)態(tài)小分子，而是擴展到大分子、超分子以及凝聚態(tài)體系，特別是自然光合作用體系。近十幾年來，隨著人類對能源、環(huán)境、健康等問題的高度重視，現(xiàn)代光化學研究取得了快速發(fā)展，研究領域不斷拓展，研究系統(tǒng)趨向復雜化和多元化，研究內(nèi)容不斷深入，成為自然科學的一個前沿研究方向。
鑒于其與多學科（如生命科學、環(huán)境科學、物理學等領域）廣泛交叉的特點，下文將以具體的科學問題為依據(jù)進行光化學各分支學科的劃分， 包括有機光化學、能源光化學、環(huán)境光化學、光生物學、光致發(fā)光和發(fā)光分子材料、光致變色材料、太陽能電池和光驅(qū)動分子機器八個分支方向，現(xiàn)將各分支學科情況簡要總結(jié)如下。
一
有機光化學是研究處于電子激發(fā)態(tài)的有機分子的物理和化學性質(zhì)的學科領域。書中重點介紹了近十年來有機光化學領域的重要進展，包括有機生色團光化學反應、光敏化反應和可見光氧化還原催化反應，充分展示了有機光化學近年來的重大發(fā)展趨勢，即研究重點已從生色團的光化學反應轉(zhuǎn)移到可見光氧化還原催化反應上來，尤其是利用可見光氧化還原催化反應實現(xiàn)惰性化學鍵的活化和官能化。為了進一步推動有機光化學的持續(xù)發(fā)展，建議未來更加注重如下幾個方面的探索：①發(fā)展高立體選擇性光化學反應新策略；②發(fā)展廉價、高效、穩(wěn)定、可重復利用的光催化劑和光敏劑；③探索有機光化學反應的工業(yè)應用；④利用有機光化學的方法和技術解決能源、環(huán)境、生命健康等領域的瓶頸問題；⑤利用相關領域的新方法和技術助力有機光化學研究。
二
能源光化學是研究將太陽能轉(zhuǎn)化存儲為化學能的學科，是能源領域世界性的重大科學難題，兼具重要的科學意義和應用背景。內(nèi)容主要包括基于半導體材料的能源光催化和光電催化兩個方向。其共性核心科學問題包括三個方面：如何實現(xiàn)太陽能的高效吸收、光生電荷的高效分離、傳輸和高效的表面催化反應過程。該領域研究自1972 年興起，雖經(jīng)歷較長的停滯階段，但自2001 年以來隨著材料、化學、物理、生物、工程等學科的發(fā)展取得了許多重要進展。半導體材料的發(fā)展經(jīng)歷了從紫外響應到可見光響應及材料吸光范圍不斷拓寬的階段；半導體光生電荷分離研究不斷取得進展，發(fā)展了基于異相結(jié)、異質(zhì)結(jié)、晶面的電荷分離策略；基于表面催化反應提出了雙助催化劑策略。此外，研究也拓展到理論模擬、超快光譜表征和原位成像技術，對催化的微觀反應機理認識逐步深入?，F(xiàn)階段該領域存在的主要問題是太陽能轉(zhuǎn)化效率遠低于實際應用的需求。因此，建議未來主要從以下幾個方面加強研究：①發(fā)展高效光（電）催化材料設計理論、方法，提出指導材料設計、開發(fā)的物理參數(shù)及模型；②基于材料基因組科學發(fā)展具有優(yōu)異光電特性的寬光譜捕光材料；③發(fā)展新型、高效光生電荷分離策略；④發(fā)展原位時空分辨的現(xiàn)代光譜表征技術；⑤注重光（電）催化學科與其他學科的交叉融合研究。
二
環(huán)境光化學是研究利用光能進行環(huán)境污染物治理的學科。環(huán)境問題是目前全人類普遍面臨的重大難題。在能源結(jié)構(gòu)難以發(fā)生根本性變化的今天，探索和開發(fā)高效、清潔的環(huán)境污染物治理方法，已經(jīng)成為治理環(huán)境污染的重中之重。污染物治理涉及化學、物理、生物等多個學科，該領域的發(fā)展既需要相關學科的基礎研究為背景，在發(fā)展的同時也會更進一步促進有關學科的進步。本書將從解決空氣污染、水污染和微生物污染等問題的光化學凈化入手，介紹研究現(xiàn)狀，直面科學問題，進而提出學科發(fā)展建議。與能源光化學相似，環(huán)境光化學污染物治理也依賴于半導體光催化劑和具有強烈氧化還原能力的光生載流子。一系列的氧化還原反應使污染物分子、微生物發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和降解，起到凈化作用。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，可用于光化學污染物凈化的光催化材料大大豐富，從最初的二氧化鈦、氧化鋅等無機金屬氧化物到類石墨烯相氮化碳等非金屬材料，再到全有機的苝酰亞胺超分子材料等。摻雜、復合、晶面調(diào)控等一系列方法也被報道用于光催化性能的提高。同時，材料的光譜利用效率也由最初的紫外光響應，向可見光、紅外光拓展，甚至擴展到全光譜響應。但是，目前的種種進步和發(fā)展距離實際廣泛應用仍然還有一定距離。因此，未來的研究還需要更加深入，進一步探明光化學環(huán)境凈化的普遍科學規(guī)律，進一步開發(fā)新型光化學環(huán)境凈化材料，進一步提高光催化材料凈化性能，進一步拓展光催化材料光譜響應范圍，進一步促進學科的交叉融合。
四
光生物學是研究生命物質(zhì)與電磁波（包括近紫外線、可見光、近紅外線波長范圍）相互作用的一個領域。光合作用等生物系統(tǒng)中的許多過程需要太陽光進行驅(qū)動、調(diào)節(jié)以及信息傳遞（如生物熒光、視覺等），使得光生物學成為生物學、化學、物理學研究中的一個重要研究領域。光生物學涉及對太陽能的利用。自然界植物對太陽光的利用一直是生命科學領域的重大基礎科學問題，書中主要對植物光生物學相關的研究進行介紹，主要包括植物光合作用、植物對光的感知、植物對光能利用等研究方向。書中對當前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，綜述該領域研究近30 年來取得的諸多突破性進展。針對目前該領域的研究現(xiàn)狀及國家目標農(nóng)業(yè)、能源和環(huán)境的戰(zhàn)略需求，建議加強以下幾個方面的研究部署：①光合膜蛋白復合體的結(jié)構(gòu)與功能；②光合作用水裂解的機理；③光合膜蛋白的組裝及分子調(diào)控；④植物光信號的感知與應答；⑤植物光能利用與應用；⑥光合作用的人工模擬。
五
光致發(fā)光和發(fā)光分子材料主要介紹了外界光源激發(fā)發(fā)光體引起的發(fā)光現(xiàn)象及其研究的學科。光致發(fā)光材料不僅在傳統(tǒng)的照明、裝飾和顯示等領域發(fā)揮重要的作用，還在諸多新興領域占據(jù)了不可或缺的地位，如熒光標記、分子探針、生物成像、激光和新一代照明與顯示等，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境、健康、國防等關系到國計民生的重要行業(yè)和領域發(fā)揮著重要作用。內(nèi)容涉及稀土配合物發(fā)光材料、過渡金屬配合物發(fā)光材料、聚集誘導（AIE）發(fā)光材料、半導體發(fā)光材料、量子點發(fā)光材料、長余輝發(fā)光材料、LED 用熒光粉和有機-無機雜化發(fā)光材料八個方向。其共性核心科學問題是如何深入揭示發(fā)光機理，優(yōu)化光致發(fā)光材料的發(fā)光性質(zhì)和綜合性能。目前，對于不同類型的光致發(fā)光材料的研究處于不同的發(fā)展階段：稀土配合物發(fā)光材料、過渡金屬配合物發(fā)光材料和有機-無機雜化發(fā)光材料的基礎研究已經(jīng)達到國際前沿水平；量子點發(fā)光材料和LED 用熒光粉的研究已經(jīng)進入應用攻關階段；亟待開發(fā)新型半導體發(fā)光材料和長余輝發(fā)光材料以開拓新的應用領域；聚集誘導（AIE）發(fā)光材料的基礎和應用研究尚處于起步階段?？傮w來說，我國在光致發(fā)光領域雖然取得了一定的成就，但基礎研究還有深入的空間，應用方面還有進一步開發(fā)的潛能?，F(xiàn)階段該領域存在的主要問題是：對于大多數(shù)光致發(fā)光材料，發(fā)光的機理雖然有普遍的認識，但是深度明顯不夠；材料的綜合性能還不能滿足市場需求；不具備大規(guī)模制備工藝。因此，建議未來主要從以下幾個方面加強研究：①注重基礎理論研究，深層次解讀各類光致發(fā)光材料的發(fā)光機理，建立完善并成熟的理論以指導材料的設計和開發(fā)；②開發(fā)新型高效光致發(fā)光材料，開拓新應用領域；③發(fā)展規(guī)?；苽洳呗?，降低成本；④以實際應用為導向，設計和優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)與性能；⑤推動實驗室與企業(yè)合作，共同探索光致發(fā)光材料的技術轉(zhuǎn)移和產(chǎn)業(yè)化模式。
六
光致變色材料涉及一類光可逆性能調(diào)控的功能性光化學材料的研究。在特定光激發(fā)下進行分子異構(gòu)，并能夠在另一束光或其他外界響應（如熱）激發(fā)下重新回到初始狀態(tài)的分子材料均屬于光致變色材料范疇。在20 世紀50 年代提出“光致變色”概念之后的60 年間，光致變色材料經(jīng)歷了飛速的發(fā)展，從傳統(tǒng)的染料工業(yè)領域逐步拓展到前沿光化學研究和新功能材料應用研究領域。本書分別從光致變色分子與性質(zhì)、光致變色材料在各領域的應用和研究進展兩個方面來介紹國內(nèi)外光致變色的研究現(xiàn)狀，提出未來光致變色材料的研究需要實現(xiàn)“廣度”和“深度”的協(xié)同發(fā)展。廣度，即探索光致變色材料在新領域的應用（如生命科學研究），更大限度地發(fā)揮光致變色分子的潛力，開發(fā)出更多適合用于日常生活及提升社會生產(chǎn)力的新材料；深度，則是針對在各領域應用研究中存在的問題，進一步研究材料光化學機理、提升現(xiàn)有體系的性能及拓展新的光致變色分子體系。在探究光致變色分子機理、實現(xiàn)性能和體系突破方面，力爭做到“理論聯(lián)系實際”，借助理論和計算化學的快速發(fā)展，建立更準確、通用的計算方法和模型，對光致變色分子設計與性能提供更準確、高效的預判。
七
太陽能電池涉及通過光生伏打效應直接把光能轉(zhuǎn)化為電能裝置的研究。采用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能是解決能源問題的重要途徑。雖然硅基太陽能電池已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)?；?a href='/shangye/' target=_blank>商業(yè)應用，但受材料、工藝及器件結(jié)構(gòu)的限制，其效率進一步提升和成本降低空間有限。開發(fā)新型太陽能電池及新型光伏材料具有重要的科學和應用意義，是當前的熱點研究領域。書中介紹了染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池和薄膜硅太陽能電池四個方面，詳細闡述了這些領域的研究內(nèi)容、發(fā)展現(xiàn)狀、存在的問題和未來發(fā)展方向，并提出了學科發(fā)展建議。其中，染料敏化太陽能電池目前的最高認證效率已經(jīng)達到11.9%，但其效率近年來沒有得到突破，遇到了發(fā)展瓶頸。建議加強該類電池工作機理的基礎研究，重點發(fā)展柔性器件及其制備工藝，加大對新電池材料和新器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性研究。有機太陽能電池目前的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)超過12%，到了向大面積器件制備和實際應用發(fā)展的階段。我國在這方面的研究處于國際先進水平。今后要發(fā)展新型光伏分子材料以進一步提高電池性能，進行大面積柔性透明電池制備工藝研究，闡明影響器件穩(wěn)定性的機理以進一步提高器件穩(wěn)定性，并深入開展器件物理方面的研究。鈣鈦礦太陽能電池是光伏領域的研究熱點，近年來其效率實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，認證效率已經(jīng)達到22.1%，奠定了其可能進行商業(yè)化發(fā)展的基礎。為了實現(xiàn)該類電池的大規(guī)模應用，必須解決其大面積制備及模塊化的問題、電池的穩(wěn)定性問題及使用鉛帶來的毒性問題。因此今后工作要加強電池結(jié)構(gòu)、薄膜制備工藝、電池退化機制和替代鉛的鈣鈦礦光伏材料研究。薄膜硅太陽能電池全球生產(chǎn)線產(chǎn)能達到10 GW 以上，但其效率遠低于晶硅電池，無法與其展開差異化競爭。因此書中建議應重點突破晶硅電池不能應用的柔性電池領域，擴展柔性電池在軍事及特殊民用領域的用途。同時需要加強硅基薄膜電池在實驗室的基礎研究，通過多結(jié)電池技術和提高襯底陷光等措施使其效率達到16%以上。此外，該領域所需關鍵生產(chǎn)設備和技術被國外壟斷，我國的生產(chǎn)線幾乎全部需要進口，因此急需實現(xiàn)關鍵設備國產(chǎn)化，以降低成本，提高市場競爭力。
八
光驅(qū)動分子機器涉及如何利用光能來驅(qū)動由分子構(gòu)成的微觀納米機器使之產(chǎn)生機械運動的研究。2016 年，諾貝爾化學獎授予從事“分子機器”研究的三位科學家，這種將諾貝爾化學獎授予一個還處于基礎研究階段的研究領域的情況極其少見，說明了分子機器具有一定潛在的應用前景。書中內(nèi)容主要包括光驅(qū)動互鎖分子機器和光驅(qū)動分子馬達兩部分。核心問題主要涉及驅(qū)動原理、運動方式及所實現(xiàn)的功能。到目前為止，光驅(qū)動分子機器已經(jīng)在納米機械、藥物可控釋放，特別是分子器件領域顯示出重大的應用前景。但是，要使其走入實際應用，還需要解決如何提高光化學反應轉(zhuǎn)化效率、防止分子機器在固態(tài)條件下運轉(zhuǎn)受阻、分子機器之間如何通信、分子機器之間如何協(xié)調(diào)一致運轉(zhuǎn)等問題。因此建議未來從以下幾個方面加強研究：①構(gòu)建定向運動的光驅(qū)動分子機器，實現(xiàn)機械能輸出；②與電、熱、磁等領域進行交叉，發(fā)展新型功能分子機器；③將光驅(qū)動分子機器進行材料化，對微觀運動進行放大，進而實現(xiàn)特定功能。
綜上所述，光化學各分支學科具有鮮明的特色，但各分支學科同時存在共性的科學和技術問題。為了促進光化學學科從基礎科學研究到應用研究的協(xié)調(diào)發(fā)展，建議未來主要從以下幾個方面進行光化學學科的布局：
（1）加強光化學各分支學科領域的基礎理論研究工作，以實現(xiàn)基礎科學的突破為起點，逐步建立較完善的理論體系，為高性能光化學材料體系的設計、構(gòu)建及光化學反應轉(zhuǎn)化過程的實現(xiàn)奠定堅實的理論基礎。
（2）在基礎理論指導下，注重光化學核心材料的源頭創(chuàng)新研究，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的關鍵材料體系及其規(guī)?；苽浼夹g，并制定相應的規(guī)范和標準。
（3）以市場為導向，與工業(yè)領域交互，加強產(chǎn)學研相結(jié)合，吸引企業(yè)參與研發(fā)工作，將實驗室的研究成果轉(zhuǎn)化成可為國家能源、環(huán)境、健康、國防等領域做出實質(zhì)貢獻的產(chǎn)品和技術，真正造福于國家和人民。
（4）將光化學學科發(fā)展納入國家長期發(fā)展規(guī)劃體系，加大對研發(fā)投入；建立切實可行的學科交叉研究合作交流的機制，促進學科協(xié)同發(fā)展；此外，要加強光化學學科人才培養(yǎng)和人才隊伍結(jié)構(gòu)優(yōu)化，重視基礎科研和工程技術研究骨干的培養(yǎng)。
本文摘編自中國科學院編《中國學科發(fā)展戰(zhàn)略·光化學》摘要部分，內(nèi)容略有刪節(jié)改動。
《中國學科發(fā)展戰(zhàn)略·光化學》
中國科學院 編
責任編輯：朱萍萍，李麗嬌
北京：科學出版社，2018.1
ISBN：978-7-03-054740-8
“中國學科發(fā)展戰(zhàn)略”叢書是中國科學院組織數(shù)百位院士專家聯(lián)合研究的系列成果，涉及自然科學各學科領域，是目前規(guī)模最大的學科發(fā)展戰(zhàn)略研究項目。
《中國學科發(fā)展戰(zhàn)略·光化學》全書共有八章，內(nèi)容涵蓋有機光化學、能源光化學、環(huán)境光化學、光生物學、光致發(fā)光和發(fā)光分子材料、光致變色材料、太陽能電池和光驅(qū)動分子機器八個分支學科。全書針對各分支學科的特點介紹其研究對象及內(nèi)容，分析評述了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并針對我國在這些相關領域的未來發(fā)展提出了相關戰(zhàn)略建議及措施。
《中國學科發(fā)展戰(zhàn)略·光化學》適合高層次的戰(zhàn)略和管理專家、相關領域的高等院校師生、研究機構(gòu)的研究人員閱讀，是科技工作者洞悉學科發(fā)展規(guī)律、把握前沿領域和重點方向的重要指南，也是科技管理部門重要的決策參考，同時也是社會公眾了解光化學學科發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢的權威讀本。
（本期責編：小文）
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