诺贝尔化学奖是以瑞典著名化学家、硝化甘油炸药发明人阿尔弗雷德·贝恩哈德·诺贝尔(1833–1896)的部分遗产作为基金创立的5项奖金之一^[1]。今年是从1901年颁发诺贝尔奖以来的120周年，到2020年共诞生了112届诺贝尔化学奖。奖项涵盖了基础理论、化学方法、化学技术、化学物质等方面，从各个领域影响着人类的生存与发展，在环境、能源、材料、生命科学以及信息技术等方面对社会做出了巨大的贡献。在教授本科生物理化学二十年的教学过程中，经历了普通班级化学专业学生，“国家理科基础科学研究和教学人才培养基地”(简称“理科基地”)班级学生，到“基础学科拔尖学生培养计划1.0”(山东大学为“泰山学堂”化学专业)化学专业学生。授课班学生人数有上百名的班级，有30名左右的班级，也有10名左右的小班级。2020年国家又实施“基础学科拔尖学生培养计划2.0”，但授课过程中，可以发现很多学生，即使是入选了拔尖计划班的学生，仍然对自然科学的重要意义，特别是基础科学研究的本真缺少基本的认知。绝大部分学生缺失对学科社会贡献的了解，甚至对于重大人类发现没有基本的概念。本文希望以诺贝尔化学奖为线索，感受化学学科的魅力，了解化学学科的历史，认识化学学科的社会重要意义，从中思考化学学科该如何发展，特别是让学生明晰一个基本的概念“化学是人类发展的基础”。

化学具有悠久的历史，可以说，从人类学会使用火开始，最早的化学实践活动便拉开序幕。初期，化学首先经历了冶金、火药、造纸等实用技术的发展。进一步深入对燃烧研究，到18世纪，化学领域在基本理论方面具有了重大的突破。拉瓦锡是这一里程碑时期的代表人物，被称为“近代化学之父”。他使得化学从定性转为定量，给出了氧和氢的命名，标志着近代化学的诞生^[2]。至此化学作为一门自然科学，开始了他的伟大征程。随后，经历了无数科学家的努力奋斗，现代化学已经发展成为一张系统庞大、错综复杂的学科网络，以四大化学为基本，发展出了许多不同层次的分支学科，在理论、实验技术、应用等方面实现了飞跃式的发展。无论现在还是未来，化学都将作为一门中心学科释放他的无限能量。

从近年来的诺贝尔化学奖入手，我们可以观察到现代化学已经渗透到人类生活的各个方面(图 1)，化学学科不仅促进了不同学科的进步与发展，还承担着衣食住行、保证健康、提供能源以及保护环境等使命。接下来，我们将重新沿着诺贝尔化学奖的足迹，探究化学学科发展对人类生存与社会做出的巨大贡献。

化学作为一门中心学科，直接或间接地促进了不同学科以及交叉学科的发展。对于物理化学这一基础学科，已经成为多学科的基础，从诺贝尔化学奖可以了解不同学科的建立与发展过程，我们将以物理化学这一基本学科为例，探索学科进步的足迹。第一届诺贝尔化学奖授予了荷兰科学家范特霍夫，表彰他发现了“溶液渗透压”这一现象并提出“化学动力学”理论。在随后的时间里，先后有12个诺贝尔化学奖项与物理化学理论直接相关(表 1)。究其原因是物理化学的建立在根本上推动了化学学科的发展，他是一门研究化学变化本质和规律的学科。物理化学的核心主要体现在“化学热力学”“化学动力学”与“物质结构”三大方面^[3]，这些是我们解决实际问题的理论基础。通过研究化学热力学，可以实现能量的综合利用，达到节能减排的目的，还可以回答生命的起源；研究化学动力学可以提高反应效率，直接提高经济效益；而所有问题的本质都归因于物质的结构，探究生命现象、药物疗效、功能材料的本质，我们便可以从分子水平上对各种材料进行改造。足以见得物理化学是构建现代化学的基石，它以坚实的根基、交叉性的学科特点以及哲学性的理论思维，支撑并引导着整个化学营垒，不断推动社会的进步与发展。

另一项贯穿诺贝尔化学奖历史的研究领域是对于生命科学的探索。化学与生命科学的紧密联系体现在两个方面：一是利用药物治疗疾病，二是对于生命现象的探索^[4]。目前先后有几十项与生物化学相关研究获得了诺贝尔化学奖(表 2)。

利用化学合成药物治疗疾病直接与人类的健康与生存相关，其本质为药物合成化学。2001年诺贝尔化学奖获得者野依良治(Ryoji Noyori)就曾提出：“化学是现代科学的中心，而合成化学则是化学的中心”。它涵盖了科学研究、材料创新、药物研发等多个领域。早在1947年诺贝尔化学奖就表彰了罗伯特鲁滨逊在生物碱方面的研究。他致力于有机结构和有机理论的研究并应用于生理学方面，成功地测出生物碱如罂粟碱、尼古丁吗啡等的化学成分和结构式，更突出的是他与一名学生精确地测定了青霉素等一批抗菌素药物的结构及在生理和药理方面的作用机理，成功地合成了盘尼西林、马钱子碱等药物。合成药物在人类健康以及寿命延长中起到了至关重要的作用。再看肆虐2020年的新冠肺炎(Corona Virus Disease 2019，COVID-19)，从病毒发现以来针对新型冠状病毒的药物研发就已经开始。分离病毒、筛选种子毒株、研发检测试剂、攻关药物疫苗，这是维护人类健康之战，是和死神的较量。展望未来，小分子药物、生物大分子以及基因疗法、细胞疗法等新兴疗法将继续为人类的健康保驾护航，这更离不开化学学科在药物制剂创造，药物选择优化以及药物输送系统的研究与创新。

而对于生命的探索是一个循序渐进的过程。从表 2中我们可以看出对于生命科学的探索主要通过对于生物分子的深入探究展开。从糖类、嘌呤等生物小分子到维生素、性激素、多肽激素以及蛋白质酶等生物大分子，从结构组成到化学合成，从性质应用到机制研究，利用化学理论从分子水平为破解生命的奥秘打开了一扇大门。以2020年诺贝尔化学奖为例，表彰了两位女科学家在基因组编辑方法研究领域做出的贡献。指的是CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)基因编辑技术，该方法具有成本低、易上手、效率高等优势，使得对基因的修剪改造变得“普通化”。随着这一技术的应用，植物研究者可以开发能够耐霉菌、害虫、和干旱的植物，在医学领域也使得治愈遗传性疾病有望成为现实。可以见得，对于生命科学基本化学理论的研究不仅会在基础科学领域引发变革，还会产生众多创新性成果。

说到化学大家往往第一个联想到的就是工业发展。化学工业作为国民经济的基础和支柱产业，在国民经济中占有极其重要的地位。当今世界，化工产品涉及国民经济、国防建设、资源开发和人类衣食住行的各个方面，对解决人类社会所面临的人口、资源、能源和环境的可持续发展等重大问题，起到了十分重要的作用。而基本化学理论、化学技术是化学工业的发展核心。化学工业经历了有机化学工业、石油化学工业、化工机械时期、化工系统工程学以及化学工业过程开发等多个阶段，均在诺贝尔化学奖的足迹中得以体现(表 3)。1905年，诺贝尔化学奖表彰了阿道夫·冯·拜尔(Adolf Von Baeyer)对有机染料以及氢化芳香族化合物的研究，正是他的研究，使世界上建立了无数个化工厂。从此有机化学工业进入了一个新的发展阶段。再到1931年，化学高压技术获得了诺贝尔化学奖，对于现代化学工业做出了不可磨灭的贡献。由于化工生产过程工艺复杂，操作要求严格，通常需要高温、高压的环境，因此化学高压技术的发现使得更多的化学工业生产成为可能。1963年齐格勒-纳塔催化剂的研究使得化学工业的发展进入了新的阶段。催化剂的出现使得越来越多的化工生产不再需要高压条件，大大减少了生产成本，并且实现了对于产物结构与性质的控制。除此之外，从科学研究角度上，齐格勒-纳塔催化剂带动了对聚合反应机理的研究。随着机理研究的深入，一些对产物控制性更好的有机金属催化剂系统不断出现，如茂金属催化剂、凯明斯基催化剂等。由于化学工业本身面临着不可忽视的安全和污染等问题，因此化学工业也在不断努力利用化学方法为人类提供更多更新的能源，为改善人类生存条件作出新的贡献。

随着化学工业带来的环境问题日益严重，进入新时代，环境问题和能源问题引起了研究者的广泛关注。环境问题目前作为全球面临的严峻挑战，需要全世界人类的共同努力，诺贝尔化学奖的变迁也体现了这一时代要求的变化。在1995年诺贝尔化学奖首次进入环境领域，表彰了三位科学家保罗·克鲁岑、马里奥·莫利纳和弗兰克·舍伍德·罗兰对于大气化学的研究，特别是有关臭氧的形成和分解的研究。正是这一研究引起了世界各国对臭氧层的关注，促使国际上对保护臭氧层问题及时采取了一致的行动，从而使人类和地球上的生物有可能避免由臭氧层耗损带来的巨大灾难。因此化学与环境密不可分，而未来化学必将发展为“绿色化学”，在减少危害的前提下，为保护环境做出应有的贡献。

解决环境问题最有效的方式就是调整能源结构，开发新能源，从源头角度减少污染物的引入。能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，是从事各种经济活动的原动力^[5]。进入新时代，新能源的出现引发能源变革，一系列绿色能源飞速发展。电化学储能材料与技术是清洁能源利用、转换和储存的关键。2019年诺贝尔化学奖颁给约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆与吉野彰这三位被称为“锂电池之父”的科学家，以表彰他们在锂离子电池领域做出的突出贡献。锂电池在现代社会中扮演着重要的角色，我们熟知的智能手机等数码产品基本都由锂电池来驱动，可以说，这三位科学家研发的锂电池，开启了电子设备便携化进程。锂电池从1991年首次进入市场，经过不断发展和技术革新，完全改变了我们的生活，可以说如果没有体积小、重量轻、容量高、寿命长的可充电电源，不可能实现数字化、IT、移动等便捷生活。正是他们的科学贡献，才让我们享受到新技术给人类工作和生活带来的便利。也使得无化石燃料的新能源结构成为可能。

新工业、新技术和新要求促进了新材料的开发与应用。广义上说，材料是具有一定性能和功能，可为人类所用的物质。材料是人类赖以生产和生活的物质基础^[6]，人类社会的发展离不开材料，材料又推动了时代的发展，其与人类社会、环境、生存密切相关。根据化学组成的不同，材料可以分为非金属材料，金属材料和有机分子材料；而根据使用功能，材料可以分为复合材料、高功能材料、结构材料和信息材料。形形色色的材料在不同领域发挥着不同的作用，以满足更多的使用需求，我们也在历年的诺贝尔化学奖中找寻到了几类不同材料的代表(表 4)。

1996年，美国罗伯特·科尔、英国哈罗德·沃特尔·克罗托和美国理查德·斯莫利发现了富勒烯，因此获得诺贝尔化学奖。富勒烯是碳材料家族的代表，碳的化合物也已经成为人类日常生活中不可缺少的材料之一。从尼龙、汽油、香水和塑料，到鞋油、滴滴涕和炸药等，范围广泛、种类繁多，应用领域更是涵盖了催化、能源等多个领域。碳(carbon，也就是木炭)是最基本的化学元素。碳元素发现的很早，以游离元素存在的石墨和金刚石最为熟知^[6]。自20世纪末开始，石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯以及石墨炔使得碳家族不断扩大。碳家族的不断扩大也丰富了碳材料的功能，优异的物理化学性质如光学、储能、催化以及机械性能等使其在材料、电子、半导体等领域得以大展拳脚。

2000年诺贝尔化学奖授予了美国和日本三位科学家表彰他们发现和发展了导电聚合物。导电聚合物的发展使其可作为发光材料以及导电材料如光致发光、发光二极管、发光电气化学电池以及激光等等，并广泛用于彩色液晶显示器等，可以毫不夸张地说，其影响一直延续至今，并得到了更大的扩展。除此之外，2008年的绿色荧光蛋白，可以作为发光的遗传标签，让人类更加了解自己的疾病。2016年的分子机器，使微型“起重机”、人工“肌肉”和袖珍“马达”等不再是天方夜谭。由此可见，化学的研究促进了材料的发展，而材料又是社会进步的物质基础和先导，也正是由于连续不断的开发和使用新材料才构筑了今天的文明社会，使更多的不可能变为可能。

以诺贝尔化学奖为线索，沿着化学学科发展的足迹，我们已经了解到化学与我们人类息息相关，相辅相成。同时，通过纵观诺贝尔化学奖的时代变迁，我们可以认识到，对于学科的推动与发展以及生命奥秘的探索将成为永恒的发展目标。除此之外，新能源、新材料、新方法的出现将代替传统的化学产业，以满足新时代、新环境的要求。因此，作为化学人，我们不禁要思考，未来的化学将何去何从。简单来说，我们可以把未来的化学比喻成一棵正在茁壮生长的大树，基础化学是他的根本，要沿着绿色化学这个枝干，融合多种多样的交叉化学，让化学之树焕发勃勃生机(图 2)。

一是基础化学。有人说，“化学是一门成熟的老科学”。意味着基础好，起点高，发展慢^[7]，但是执着于化学学科的科研工作者心中都明白，以四大化学为根本的基础化学，也就是基本的化学现象、化学理论、化学物质还有着许许多多的未解之谜。一个化学键、一个化学反应都会带来翻天覆地的变化。为何氮气和氢气生成氨气一个简单的化学反应方程式可以获得三次诺贝尔化学奖，这就是化学变化的魅力，是研究不断深入的结果。基础化学还需要科研工作者义无反顾地坚持下去，这是化学发展的根本。

二是绿色化学，其实这个概念早已被美国化学会提出，大家的研究理念有了创新与发展，但是与实际应用之间还有很长的一段道路，目前还不能完全避免一部分化学物质对人类健康和环境造成的危害。从绿色化学的概念看，是指被用来防止污染的一种科学方法。它想要实现的目标是通过一系列原则和手段，来减少或消除设计、制作和使用化学品时产生的有害物质^[8]。绿色化学更多的是作为一种理念，已经成为化学学科未来发展的准则。

三是交叉化学。化学是一门社会迫切需要的中心学科，在21世纪，化学更是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大新兴学科有着紧密的联系、交叉和渗透^[7]。生物化学、能源化学、固体化学等以化学为中心的交叉学科应运而生，这也符合时代特点。交叉学科的优势在于结合多学科的理念、多学科的实验方法、多学科的理论基础，创造新理论，新发明和新的工程技术。未来，交叉学科将向更深、更高、更远的方向发展。

化学是人类生存的基础。无论是化学与能源、化学合成材料、营养物质等，都与化学有着密不可分的关系。恩格斯曾经说过：“化学既是关于自然的科学，又是关于人的科学。在当代科学的发展趋势中，它们正在走向统一。因此，化学不仅仅是认识生命与进化的手段，也是人类生存和获得解放的手段。”我们要认识到化学学科的重要性，利用好化学学科这一重要工具，选择可持续发展之路，不断促进人类社会的繁荣与发展，