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首先是安全，沒有了化學，我們的生活寸步難行，而沒有了安全，則化學一切歸零。實驗安全對于化學的重要性，不言而喻，一目了然。

實驗安全

英國思克萊德大學Marc Reid教授: “NatureChemistry”十周年正好趕上了謝莉·桑吉（SheriSangi）在洛杉磯加利福尼亞大學一次可避免的實驗室事故中不幸去世10周年。盡管人們對反應監測技術、化學信息學和可編程晚期甲基化學的未來發展感到興奮是可以理解的，但如果不能安全地完成這些研究，這些研究都是無關緊要的。如果我們去工作而不回家的話，所做的一切都不重要了。因此，我們面臨的最大挑戰是：我們如何更好地理解和消除實驗室安全方面的失誤？

計算機的不斷發展，人工智能的日趨成熟，分析手段愈發的精密和靈敏，更多的催化劑和催化模式不斷涌現，它們將如何影響化學？

計算、分析和催化

多倫多大學Alán Aspuru-Guzik教授: 計算化學家的終極目標之一是實現逆向設計，這意味著從理想的性能出發找到穩定和可合成的分子。利用人工智能(AI)來驅動能夠“創造”新候選分子的生成模型，將使逆向設計成為現實。為了結束發現循環，將人工智能和機器人技術集成到合成和表征中是我關注的領域之一。此外，隨著量子計算機在模擬分子的量子算法方面的進步，量子計算機的能力不斷增強，這表明它們很快將與當前的經典計算機形成競爭。

韓國科學技術高等研究院Mu-Hyun Baik教授: 隨著化學反應的計算機模型變得越來越逼真，我們必須學會如何使用它們來實現更大的創造力和創新。雖然機器學習和人工智能將有所幫助，但至少在未來20年，人類學習和自然智能仍將占據主導地位。我們能用計算機模型從零開始設計挑戰性反應的催化劑嗎？我們能不能拿出真正的和顛覆性的創新來挑戰普通的化學常識？我認為這是完全可能的-我們只需要這樣做。不幸的是，說起來容易做起來難。

蘇黎世聯邦理工大學Nadine Borduas-Dedekind教授: 由于原位分析和實時分析技術的進步，特別是質譜分析技術的進步，大氣化學家現在擁有了前所未有的關于當今大氣中氣體和粒子分子組成的信息。在未來的氣候研究中，我們的任務是量化不斷變化的氣候中的人類指紋。一個有希望但又具有挑戰性的方法是測量和模擬偏遠地區的大氣組成。在空氣質量研究中，目標是將暴露在大氣中的成分與對健康的不利影響因素聯系起來。我對大氣化學家為室內空氣質量帶來的創新，通過量化活性物質，研究短壽命空氣污染物的生命過程及其對人類健康的影響感到興奮。

洛桑聯邦理工學院Clemence Corminboeuf教授：計算化學目前正在經歷幾個根本性的變化，例如機器學習和大數據分析，GPU（圖形處理單元）-加速軟件和量子計算機上的量子化學。特別是，量子化學性質的機器學習正在蓬勃發展，并可能導致量子化學計算的加速，為快速有效地篩選和發現新的分子和材料提供新的框架和方法。雖然傳統方法仍然存在，但機器學習使用的增加將改變可以通過計算方式解決的問題的性質、規模和復雜性。通過建立統一不同科學領域的國家和國際協同網絡，可以克服一些剩余的跨領域限制。

法國科學研究中心Fran?ois-Xavier Coudert教授：機器學習已經在改變計算化學，在各種層面上整合了包括原子間勢、密度泛函理論（DFT）函數和結構-屬性關系在內的方法學。目前最大的挑戰在于擴大這些努力，每個團隊的最新研究都遵循開放科學原則的大型數據集：完全開發性，與明確定義的元數據相關聯并使用可互操作的格式。這不僅可以提高重現性并加快發現速度，而且還可以在化學之前以前所未有的方式進行數據挖掘：每次計算，每次實驗-無論合成是否成功-都在您的指尖下創造下一個突破或神奇材料！

英國格拉斯哥大學Leroy Cronin教授：為了創造一種真正自下而上的人造生命形式，不依賴于當前生物學或技術的信息，開發能夠處理自己信息（不受觀察者影響）的化學系統至關重要。現在，這樣的系統是由人類化學家或分子水平的生物機器控制的，但如果有可能產生一個可以創造自身和自身信息的系統，使化學信息告知其結構或功能呢？自編程化學系統的出現將成為從“從沙子到細胞”這種從頭方式創建自主人工組裝的重要里程碑。

科羅拉多大學波德分校Tanja Cuk教授：研究表面化學轉化最激動人心的方面是有機會揭示催化循環的真實動力學。目標是不僅能及時捕獲催化中間體，而且監測它們如何沿著表面移動，相互作用，生成下一個中間體，最終產生產物的鍵。為了建立這種機制理解，我們需要先進的光譜技術應用于原位催化反應，具有很高的數量級的高時間分辨率。簡而言之，如果我們能夠確定使催化產物持續進化的過渡態是怎樣進行的，那么它將把多相催化領域推向一個全新的領域。

美國西北大學Danna Freedman教授：量子信息科學有望改變我們的科學前景。化學衍生的量子比特在量子傳感的子領域中特別有吸引力，其中利用物質的量子特性來檢測極小的信號，例如溫度、磁場或電場的微小變化。在接下來的幾十年里，這個領域可能會取得進展，例如質子和電子自旋的單分子傳感可實現單分子核磁共振，能夠檢測處于特定目標狀態的少量酶（如催化中間體）。從感應整體到感知單分子的進展將影響我們對反應機制、生物系統和特殊材料的理解。

明斯特大學Frank Glorius教授：這是一個催化的黃金時代，隨著大量催化技術和不斷改進的分析工具的開發，最令人興奮和重要的挑戰即將到來。我對三個發展領域感到特別興奮。首先，多相催化-需要更好的分子理解，以便能夠設計新的催化劑，以實現更高效的工業過程。第二，采用新的策略和改進的催化劑來實現復雜分子的后期官能化（例如，使用C-H活化）。最后，我相信使用基于信息的策略（如智能篩選或人工智能和機器學習）發現新反應，這將極大地改變催化和化學領域。

波士頓大學Malika Jeffries-EL教授：近年來，有機半導體的發展已經超越了基礎學術研究，現在已用于眾多商業應用中。盡管具有潛力，但是具有理想特性并且可以使用簡單的合成方案制造的新材料才是最需要的，這樣才能使“塑料電子”成為可能。有機半導體的性能依賴于其結構和光電性質之間的相互作用-這兩者都取決于許多相互關聯的變量的優化，例如能級、帶隙和電荷傳輸。因此，需要新的計算工具，合成方法以及有機化學家、理論家、物理學家、材料科學家和電氣工程師的協同合作來解決這些挑戰。

意大利的里雅斯特大學Silvia Marchesan教授：手性已經吸引了化學家近兩個世紀，并且仍然在從亞原子到銀河系的尺度上提供了意想不到的奇跡。同質性在自然界中起著重要的作用，但異質裝配在構建功能性宏觀網絡中的重要性和潛在效用不應被低估。渴望模仿自然的優雅復雜性的超分子系統也必須是可持續的。一個巨大的挑戰是破解設計規則，使我們能夠將信息編碼到異構的構建塊中，以便它們能夠自組裝成具有定義功能的層次結構和動態結構，就像我們所知道的自然組裝生命的組成部分一樣。

以色列本-古里安大學Anat Milo教授：在這個自動化時代，合成化學越來越精簡，分子設計通過算法來不斷增強，這些算法兼顧了我們無法在腦海中輕易捕捉到的眾多特征：合成的未來是光明而有趣的。一個主要的挑戰是將我們對化學的理解融入21世紀的技術，而不是簡單地追隨最新的趨勢。除了完善制造分子的任務外，我們作為化學家的角色是利用我們工具箱中的所有方法-即舊的、新的和尚待發現的方法-來實現其潛力、闡明機制并設計可持續的未來。

蘇黎世大學Cristina Nevado教授: 日益增長的人口對日益減少的自然資源的需求不斷增加，所帶來的挑戰將需要以化學為基礎的解決辦法。這些措施包括開發高選擇性、節能、環境友好的方法，以生產具有量身定制特性的革命性新形式的物質，以及發現有效改造現有原料的工藝，以確保可持續地生產新的和現有的物質。各種形式的催化以及對化學過程的更深入的機制理解，將在滿足當前和未來社會需要方面發揮核心作用。

牛津大學Carol Robinson教授：質譜可用于了解膜蛋白如何與其脂質環境相互作用。這是具有挑戰性的，因為大多數實驗需要從細胞膜中提取蛋白質組裝體，并且該過程通常擾亂蛋白質-脂質相互作用。主要目標是保持膜蛋白處于其天然狀態，其相關脂質完整，而復合物轉移到氣相中。我們的一個令人興奮的突破是從脂質囊泡釋放蛋白質復合物并將它們直接發射到質譜儀中。未來的發展將涉及將這種技術應用于來自各種不同組織類型的膜。

佐治亞大學Gregory Robinson教授：我們面臨的全球挑戰-例如發展可再生能源、消除疾病、建立更有效的糧食生產流程和應對氣候變化-都是令人望而生畏的。雖然解決這些不同問題的辦法必然是多方面的，但地球豐富的主要組元的化學無疑將發揮重要作用。值得注意的是，這些問題的化學作用以及解決這些問題的方法必須有效地傳達給一般公眾和政府官員。因此，在培養化學家時，我們必須更多地注重公開演講和一般寫作技能。未來將需要優雅的化學和雄辯的化學傳播者。

澳大利亞新南威爾士大學Timothy W. Schmidt教授：現在已經知道單線態裂變發生在許多分子系統中，并且出現了快速有效的吸熱單線態裂變的設計規則。為了正確利用這一現象并提高太陽能轉換效率，我們必須學會如何有效地將分子三重態激子直接或由光子介導轉移到硅等半導體上。最具挑戰性的發展將是發現在陽光下不會降解的高效吸熱單線態裂變材料。

意大利佛羅倫薩大學Roberta Sessoli教授：性能更好的催化劑、能耗更低的設備以及更高效的能源生產流程構成了可持續發展世界的必經之路。電子的自旋在涉及電子轉移的所有過程中起著關鍵作用，并且自然進化通過選擇手性作為關鍵組分來優化這些過程。我們剛剛開始理解旋轉自由度和分子手性之間相互作用的豐富性。開發用于在分子尺度上研究和控制自旋相關電子傳輸的新工具，也可以在新興的量子技術領域開辟新的視角。

帝國理工學院Aron Walsh教授：現在是化學家放下實驗室外套并學習如何編碼的時候了。現在，計算化學正在發生許多激動人心的變化，從開放源碼協作工具的使用，結構屬性數據庫的擴展，到化學系統機器學習的第一次成功。這個領域徹底改變了。化學、數學、計算機科學和工程學之間的交叉是具有挑戰性的，但卻是有益的。通過利用這些工具，未來我們將探索新的化學物質并發現具有奇異特性的材料，遠遠超出自然界中可以找到的物質。

英國圣安德魯斯大學Allan J. B. Watson教授：對催化反應的先驗設計的計算預測將是正在進行的合成化學發展的一個重要課題。通過對特定性能良好的催化系統的參數化研究，我們已經看到了這一技術的出現。這一領域的一個重大挑戰將是如何使解決方案的動態合理化并最終加以控制。了解多配體和多金屬體系的動力學，從一開始就建立起控制機制，這對于開發新的催化反應，促進新的應用和加快化學合成具有重要的意義。

荷蘭烏得勒支大學Bert M. Weckhuysen教授：我們的社會應該變得更加可持續化，因此我們必須考慮“循環利用”。目前的化學過程被設計為有效地將X轉換成Y，但是在使用之后還沒有將Y轉換回X。因此，必須設計分子或材料Y以便我們可以容易地回收它并制造X或一種全新的分子或物質。這種思維方式（“原子和分子的循環”）將影響許多化學領域，包括催化、有機化學和材料化學，因為我們必須合成我們的日常用品，不僅要經久耐用，還要進行化學回收。

香港大學任詠華（Vivian W.-W. Yam）院士：盡管化學家展示了令人印象深刻的創造力和復雜的合成技術，但仍然很難精確控制分子如何包裝、排列和自組裝來制造功能性分子材料。要做到這一點，就需要控制各種非共價分子力的微妙平衡（它們將分子聚集在一起）以及分子內力（它們控制分子構象和拓撲結構）。此外，通過產生和利用分子的激發態，通過自旋態的混合和金屬特征的引入，來擴展已經多樣化的分子庫，將為發光、光催化和光能技術的突破創造幾乎無限的、令人興奮的機會。

中國科學院大連化物所楊學明院士：在化學反應動力學的研究中，最令人激動的成果即是開發出有價值的實驗或理論方法。這樣的方法包括真空紫外和X射線波段的自由電子激光，它能以前所未有的分辨率和靈敏度檢測簡單化學反應的過程，并使我們有機會研究更多更復雜的反應。在理論方面的進展，比如更高精度的密度泛函理論，可以使我們得以在更高的精度下研究和解釋更加復雜反應的機理。最為重要的是日益增進的理論化學與實驗化學的互動與交融，這將推動化學作為一門實實在在的科學得到長足的發展。

化學的未來與挑戰（二）——合成化學

合成化學是化學中的重中之重，活性天然產物、藥物分子、材料分子和農用化學品等都離不開化學合成，那么，未來化學的發展對于合成方式和合成效率又有什么要求呢？

普渡大學Suzanne Bart教授：研究Ac系的化學家處于合成無機化學的最前沿，并且每天都在突破著元素周期表的界限。5f元素提供的令人驚訝的反應產物不斷挑戰Ac系科學家開放思想并創造性地思考化學行為。設備和計算技術的最新進展減輕了處理放射性物質的難度，為進一步探索這一研究領域開辟了新天地。作為化學團體的一部分，通過無機合成幫助建立基本化學性質并揭示這些元素的基本反應性是一項令人興奮的工作。

韓國科學技術高等研究院Sukbok Chang教授：合成化學中最令人興奮的研究課題之一是獲得對基本反應機制更好的理解，從而開發使動力學和熱力學上不利的轉化能夠發生的催化體系。特別是，從易于得到的原料-如簡單烴類的直接C-H鍵官能化，來獲得增值的化合物。一種直接的方法是使用C-H鍵活化策略和環境友好的氧化方法對烴類的脫氫交叉偶聯。通過設計催化劑體系可以調控反應性和選擇性，該催化劑體系可以避免對原料的預官能團化，并且還可以避免有害的副產物。

加拿大女王大學Cathleen Crudden教授：將分子水平合成方法和分析技術應用于材料化學是非常苛刻的，但也非常有趣。我們正在通過使用N-雜環卡賓（NHC）作為金屬超級原子團簇的配體來解決這一挑戰。卡賓的優點是金屬-碳鍵為NMR分析提供了漂亮的手柄，可以直接表征配體-納米團簇鍵。NHC的簡潔分子化學特性能夠為納米團簇合成開發合理的合成路線，我們希望這些途徑能廣泛適用于各種納米材料。

普林斯頓大學Abigail G. Doyle教授：化學反應和分子結構處于復雜的高維空間中。合成化學家在這一領域有著廣泛的知識和直覺，然而化學反應的發現和優化仍然消耗了大量的時間和物質資源，而對數據的利用卻是有限的。機器學習和化學之間的聯系工具的發明將加強當前的實踐，加快分子發現的步伐，這對于許多社會關注的突出問題至關重要。要取得進展，就需要一批不同領域的科學家和工程師發明新的數據收集和管理、描述化學空間，以及針對化學問題的預測和可解釋算法的新方法。

上海交通大學樊春海教授：一個令人激動的學科前沿是理解人工設計的核酸結構如何在活細胞和動物體內組裝并發揮作用。創造新的工具來控制活細胞內的天然和人工核酸分子的組裝過程，將有可能為核酸化學領域帶來革命性的變化，從而推動納米診療和精準醫學的發展。更長遠考慮的話，另一個大有可為的研究方向是探索和發展具有人工智能的DNA或RNA機器人，并在動物和人體內工作。（參考來源：上海交通大學化學院）

上海交通大學馮新亮教授：合成化學的一個主要目標是開發有助于應對當前社會挑戰的新材料，從而更多地使用可持續能源、智能制造或健康信息學。長期以來，可用于傳輸電子、自旋、離子和光子且具有神秘物理或化學性質的新型凝聚態物質一直是化學合成的目標。合成這些新物質需要開發新的合成方法和策略。開發過程本身就需要創造性思維，才可在原子和分子水平上設計并可控合成出具有特殊結構和可定制性能的理想材料。（參考來源：上海交通大學化學院）

中國科學院上海有機所李昂研究員：在天然產物合成領域，借助計算機設計合成路線可能會成為一個越來越有吸引力的方向。與相對“扁平”的藥物相比，立體化學復雜的天然產物仍然是計算方法的挑戰性目標。基于對生物合成網絡的系統分析以發現未被充分認識的反向合成的策略可以顯著改善計算機設計路線的實用性和普適性。此外，負責天然產物生物合成中酶促反應（或反應級聯）的基因簇可能是計算機的有利工具，有可能使化學和酶結合途徑線在不久的將來更加普遍。

奧地利維也納大學Nuno Maulide教授：有機合成中令人興奮的機會當然包括開發專門的方法來操縱有機化合物中的C-H鍵，同時也發現了對大量人工化合物和生物質進行“解構”的新反應。的確，有機化學領域無疑已經對C-C鍵形成反應產生了興趣，但同樣強大的C-C鍵裂解過程的研究卻相對滯后。將精細的化學過程擴展到智能材料和適應性有機分子領域也可能是一項改變游戲規則的努力。

加州大學伯克利分校Richmond Sarpong教授：有機合成是改善我們生活的大量醫藥、材料和農用化工工業的基礎。在21世紀，我們的目標不僅是掌握操縱有機分子外圍的能力，而且要精確地打破和改革有機化合物的碳-碳鍵結構，即所謂的“C-C活化”。另一個令人興奮的方向-信息和計算機技術的進步，以及機器學習和數據科學等許多不同領域的交叉-是利用計算機加速發現制備復雜分子的穩健路徑(策略)。真正實用的計算機輔助合成是非常有前景的！

密西根大學Corinna Schindler教授：Lewis酸催化羰基-烯烴復分解反應是近年來發展起來的碳-碳鍵形成新方法。這些轉變最令人興奮的方面是它們有望作為替代戰略，使羰基烯烴化和生產功能化烯烴。然而，為了大大拓寬催化羰基-烯烴復分解的底物范圍，必須要有新的、更強大的Lewis酸。因此，開發新的催化體系，有效地激活目前沒有反應的底物，擴大我們能夠創造的產物范圍，將是這一領域未來研究中最有趣和最有價值的方面。

西班牙馬德里自治大學Mariola Tortosa教授：利用被認為是惰性的官能團開發催化轉化是一項持續的挑戰。C-C鍵活化的方法仍處于起步階段，這一領域的進展改變了科學家對設計新分子的思考方式。需要選擇性催化劑來擴展用于高度衍生化合物的后期官能化的工具箱，并且該領域的研究將對加速藥物發現過程產生深遠的影響。生物聚合物的選擇性修飾是另一個令人興奮的前沿領域，生物偶聯新方法的設計是合成化學家最具挑戰性的機會之一。

美國西北大學Emily Weiss教授：我相信，激發態（非熱）化學有望成為合成化學的主要力量。通過使反應分子脫離電子平衡，或者通過創建新的系統-環境相互作用以使整個系統脫離熱力學平衡，都將使得光化學和光催化反應的反應性和選擇性很快變得可控。這種干涉可以通過將系統耦合到諧振腔以產生新的極化電位表面，或者對機械或化學響應于反應的材料來實現，使得反饋回路放大催化作用。這些類型的策略更接近天然酶的功能。

威斯康星麥迪遜分校Tehshik Yoon教授：對映選擇性反應需要一些手性信息來源。在實踐中，這是由手性化學試劑提供的，但長期以來化學家們一直假設手性物理力也可能影響反應的立體化學。圓偏振光（CPL）是一種固有的手性物理力-由各種天文現象自然發射-并且它已被提出作為益生元同手性的潛在起源。到目前為止，CPL的唯一成功案例是原理驗證實驗，選擇性很低。然而，該問題的一般解決方案可以深刻地影響立體選擇性合成，并且對生命起源提供見解。

中國科學院上海有機所游書力研究員：精準合成無疑是合成化學的首要目標。化學家應該考慮如何最大限度地利用大宗化學原料，包括化石資源和生物質，以提高催化化學轉化過程中的效率和選擇性，并提高最終產品的多樣性。就個人而言，我期待看到惰性化學鍵和惰性化學體系的高效和選擇性轉化取得進一步發展，以及高級理論計算和人工智能的實施將如何從根本上改變有機化學。

化學的未來與挑戰（三）——材料和超分子化學

隨著化學合成技術的不斷發展，化學家們也合成了更多的具有優異性能的材料，材料科學和超分子的未來和挑戰又在哪里呢？

印度科學與教育研究所Rahul Banerjee教授：下一代多孔性結晶聚合物或共價有機框架材料應該克服現有的動態共價化學(DCC)的局限性。因為各個有機單元的化學性質以及它們之間的連接方式各不相同，共價鍵的多樣性使材料具有迷人的特性。一旦我們將多孔性結晶聚合物的合成推進到DCC的邊界以外，這些材料將帶來結構的多樣性，同時獲得令人興奮的新特性，這將為聚合物工業提供研究這些材料用于商業應用的新機會。另一個有趣的進展可能是設計靈活和反應靈敏的晶體共價網絡。

日本京都大學Shuhei Furukawa教授：金屬有機框架材料（MOF）中一個令人興奮的前沿研究方向是它們在機械應力作用下，其可重構的微孔結構。我們現在才剛剛開始了解MOF靈活性的機制，并設計具有多井勢能圖的材料。進一步了解如何將宏觀力轉化為分層結構中的分子運動將有助于微孔率的調整，而實現這種“機械氣孔”的關鍵是調和遠程協同性和局部結構自由度。我認為，控制框架中的缺陷和無序以及制造諸如凝膠等軟物質的最新研究將導致這種進步。

印度科學研究協會Suhrit Ghosh教授：超分子聚合物雖然內部有序，但也缺乏宏觀的結構規律性。最新報道表明，暫時捕獲處于休眠狀態的單體，使用合適的引發劑能夠在受控的超分子鏈增長聚合中獲得新的可能性。最近，有可能合成具有非常低的分散性和可預測的聚合度的超分子聚合物。與共價嵌段共聚物類似，現在可以實現順序可控的多個結構單元的超分子共聚。這一基本進展為在不同尺度上實現具有結構精度的復雜分子組裝開辟了新的機會，例如生物系統中普遍存在的組裝。

的里雅斯特大學Silvia Marchesan教授：手性已經吸引了化學家近兩個世紀，并且在從亞原子到銀河系的尺度上帶來了意想不到的奇跡。同質性在自然界中起著重要的作用，但異質組裝在構建功能性宏觀網絡中的重要性和潛在效用不容低估。渴望模仿自然的優雅復雜性的超分子系統也必須是可持續的。在相關研究中，一個巨大的挑戰是破解自然的設計規則，使我們能夠將信息編碼到異構的構建模塊中，以便它們能夠自組裝成具有特定功能的層次結構和動態結構，就像我們所知道的自然組裝生命的組成部分一樣。

哈佛大學德克利夫高級研究所Pan?e Naumov教授：分子晶體是一類獨特的材料，它結合了各向異性性質固有的結構控制；與中間相材料相比，分子晶體具有快速的能量傳遞、機械順性和柔性。大量的報道描述了它們的結構，但還有一個揮之不去的問題-它們到底有多適用？答案在于設計和優化的工程原理中，這是一種合成化學家難以理解的語言。本研究的重點必須從結構轉向性能，再到功能，除非建立性能指標，否則分子晶體的獨特性質將停留在炒作和承諾之間。

西班牙巴塞羅那材料學會Rosa Palacin教授: 目前電池研究的前景非常令人興奮，因為主要的研究方向是由與運輸、電氣化和可再生能源整合相關的應用驅動的。主要目標是通過使用金屬陽極提高電池壽命和提高能量密度，這兩者都需要電化學、材料科學和工程方面的技能。機器學習和人工智能最近已經成為有望獲得顛覆性發現的途徑。最后，但同樣重要的是，可持續性至關重要：必須避免使用危險材料，應促進回收利用，并強制使用二氧化碳排放量較低的制造工藝。

麻省理工學院楊少紅（Yang Shao-Horn）教授：一個令人興奮的前沿領域將是利用超分子化學來連接生物催化和多相催化，以滿足人們對水、氮或二氧化碳還原生產化學品和燃料的需求和可持續生產的要求。為了發展基礎知識和促進應用，需要利用實驗和計算兩種方法設計三維催化中心，從而脫離傳統的二維催化劑，并根據“生物水”的知識控制催化中心附近的水結構。超越傳統的學科界限，開發新的原位和時間分辨研究的新技術也是這一領域發展的核心，將使結構與功能聯系起來，加強催化劑的設計。

新加坡納米生物實驗室Jackie Y. Ying教授：化學將對新生物材料的應用產生越來越廣泛的影響，尤其是隨著更復雜的系統變得可用和實用。特別是，在生物相容性納米載體的設計和合成中需要研究突破，其能夠控制遞送藥物和疫苗-優選以口服方式-以及免疫療法的靶向遞送。為控制人類、動物、植物和環境中的傳染病，迫切需要能夠繞過抗藥性的有機和無機材料形式的新型抗菌劑。

巴西帕拉那聯邦大學Aldo J. G. Zarbin教授：全球對能源的需求日益增加，在開發具有成本效益的材料方面開辟了令人興奮的前沿領域，這些材料可以提高可持續能源技術的效率而不損害環境。尋找新的結構、新的合成途徑和新的加工技術將材料結合到諸如薄膜之類的器件中，將隨著時間的推移而變得至關重要。此外，了解新材料的潛力，例如，納米碳、二維材料、鈣鈦礦、金屬和半導體納米粒子和納米復合材料，用于有效的太陽能光伏轉換、從水電解制氫、高容量電池和超級電容器以及水環境操作裝置仍然是巨大的挑戰。

香港城市大學張華教授：納米材料由于其優異的特性，在光學、電學、磁學、傳感器、催化、清潔能源和生物醫學等領域有著廣泛的應用前景。以控制復合材料的形成以及材料的尺寸、表面、形貌和結構為主要依據的各種納米材料的制備方法已日趨成熟。另一條路線（也是我們團隊竭力完善中的一條路線）即晶相工程路線：探索發現已有材料新晶相，特別是亞穩態或新的無序非晶結構，進而探索該類材料的大規模可控合成，并研究其基于新相的理化性質與其工業應用。

化學的未來與挑戰（四）——生命科學

化學與生命科學密切相關，化學的發展也必將深刻影響著生命科學領域。

劍橋大學Shankar Balasubramanian教授：現在可以快速確定人類基因組的DNA初級序列，使DNA測序能夠在更大的范圍內進行。下一個十年將更充分地了解，這些基因信息在何種情況下，可以解釋我們是誰，或幫助改善疾病的治療。在更多的分子水平上，DNA的結構和共價化學在生命系統中是動態的。了解DNA是如何發生的，為什么發生，以及何時發生這種變化，這將揭示出分子機制-除了沃森-克里克堿基配對，DNA還可以儲存和傳遞指令。畢竟大自然“探索”DNA納米科學的時間比我們實驗室里探索的時間要長得多。

北京大學陳鵬教授：一種類似DNA和RNA分子聚合酶鏈式反應的蛋白質擴增方法將開辟許多令人興奮的前沿，包括從單分子蛋白質測序到單細胞蛋白質組學。然而，蛋白質更復雜的性質，尤其是20個不同氨基酸側鏈的性質，是實現這一夢想面臨的巨大挑戰。然而，一組高效的、正交的化學反應或酶反應的發展能夠選擇性地將不同類型的氨基酸轉化為可放大和可分辨的信號，并結合創新的數據處理方法，最終可能產生一種突破性的技術，將蛋白質轉化為可擴增的分子。

荷蘭特溫特大學Nathalie Katsonis教授：我研究領域最激動人心的挑戰是分子運動規則的解開，因為它們將幫助我們使無生命物質運動起來。我們仍然不知道非生物化學如何能夠轉變為生命必不可少的定向運動，但我強烈地感覺到我研究的人造分子機器將提供答案。在這個過程中，我期待著無與倫比的人造分子機器，他們能夠協同工作，并使用反饋回路和非線性響應在自適應物質中產生運動。最終，這種化學反應可能會產生運動的原始細胞，從而進化出集體和有目的的行為。

瑞典隆德大學Sara Snogerup Linse教授：分子自組裝是形成生物膜、細胞器和多聚蛋白質等生物結構的一個基本過程。蛋白質和多肽的自組裝也參與了幾種毀滅性的人類疾病，盡管在許多情況下，組裝過程與病理之間的確切聯系仍有待發現。這些聚集是一個原因，還是一個結果，還是一個促成因素？我們能根據物理化學原理使用調制器來控制組裝和解組裝嗎？我們能否向大自然學習并制造出性能可調控的可轉換自組裝材料？為了回答這些問題，我們需要闡明區分有益和致病組裝體的化學特征。

密西根大學Alison R. H. Narayan教授: 隨著可利用的天然蛋白質序列數量的指數增長和蛋白質工程能力的提高，生物催化的潛力是空前的。生物催化在未來十年對合成化學的影響局限于化學家在自然催化平臺上的創造性，以及將酶放入我們反應瓶中的意愿。了解這些系統中控制催化和選擇性的機制，將使許多新的反應流成為可能，并為傳統方法所不能滿足的挑戰提供解決方案。

南非羅得斯大學Tebello Nyokong教授：微生物對藥物的抗藥性以及持續的空氣和水污染構成了重大的科學挑戰。作為光催化劑的新型“智能雜化”材料在這些關鍵領域提供了令人興奮的前景。這些雜化材料在不同的部件中結合了不同的理想性能，但它們共同作用形成了一個獨特的多功能結構。可持續和綠色的光催化劑是一種明智的方法，因為它們在水處理過程中不會釋放任何額外的污染物，而微生物對它們產生抗藥性的可能性很低。這一領域的進展將取決于雜化材料的發展，這種材料既能降解污染物，又能消除病原體。

麻省理工學院Gabriela S. Schlau-Cohen教授: 眼見為實。眾所周知，膜蛋白可以管理生命各個領域的信息和物質的流動，但這一非凡成就背后的原因仍不清楚。在分子水平的操作和測量方面的進展使我們在空間和時間上對這些蛋白質的看法更加敏銳。控制它們的化學和能量特性的動態-甚至可能是實時的-是下一個前沿領域，在該領域，在人類健康和農業方面有可能采用新技術，同時對這些重要和無處不在的分子有著基本的理解。

加拿大麥吉爾大學Hanadi Sleiman教授: 核酸作為治療手段、診斷工具和納米結構，有望改變醫學和材料科學的面貌。這一領域的兩個挑戰是細胞傳遞和大規模合成。隨著去年批準的第一個siRNA治療，以及第一個中等規模的合成現在已經實現，我們正在取得卓越的進展。但是，要理解核酸材料與生物環境之間的界面，還有很長的路要走。當我們中的許多人夢想將DNA的前所未有的可編程性應用于光學、電子、磁或刺激響應材料時，實現這一夢想需要可規模化的合成和穩定的DNA結構。

英國MRC分子生物學實驗室John Sutherland教授：在過去的十年中，系統化學方法加速了對現存生物學的氨基酸、核苷酸和脂質模構建塊的益生元合理途徑的發現，除此之外，還沒有更多的別的進展，這讓我們拒絕相信化學選擇具有自然選擇能力的觀點。通過提煉這些合成所依據的常見化學反應所提出的粗糙地球化學設想，反過來應該簡化化學過程。我們現在尋求脂質囊泡中RNA和肽的協同，復制組裝過程。我們還必須考慮能量耗散如何使這種系統保持在非平衡狀態以及如何引發這些過程。

英國謝菲爾德大學Annette Taylor教授：在細胞中發生的反應仍然是生產復雜化學物質的最有效手段，系統和合成生物學的進步已經使得這些細胞過程顯著控制。另一種方法受到創造人工生命目標的啟發，涉及相互作用化學物質網絡的劃分。在我們能夠以與生物學相同程度的穩健性控制這些混合物之前，系統化學還有很長的路要走，然而，隨著我們越來越擅長設計生物激發反應網絡，未來可能會從微生物轉變為合成細胞工廠。

加州大學圣地亞哥分校Akif Tezcan教授：蛋白質是構建復雜的生物化學機器和動態材料的最終構建模塊，其中nm到mm尺度，使無生命的變為有生命的。分子設計的一個重要前沿將是在如此長的尺度上規劃蛋白質構建塊的自組裝能力，以及它們以時間和空間控制的方式與其他形式的生物或非生物物質可預見地相互作用、組織和重組的能力。沿著這些方向，另一個令人興奮的研究途徑將是設計和發展合成蛋白質或蛋白質組裝，其可以比現代生物利用更多的周期表中元素。

荷蘭拉德堡德大學（奈梅亨大學）Daniela Wilson教授：在開發復雜生命的分子系統中，一個巨大的挑戰是理解和設計自動化系統，這些系統既可以通過采集不同的能量來源，又能感知、交流、互動和響應來自其環境的信號，并適應其變化。這些仿生活動系統最終能夠響應于來自其復雜的生物環境的線索來控制它們的運動、方向性、速度和行為。這些特性可能改變生物醫學領域中的游戲規則，目前生物醫學領域僅依賴于被動的高劑量藥物輸送系統。

撰稿：詩路化語