六、由人脑走向电脑


　　计算机时代的特点之一就是部分脑力劳动逐步机械化（如吴文俊的机器 证明）。17 世纪以来数学是以无限、连续概念为主导思想和工具，但是由于 计算机研制和应用需要，有限、离散的数学以及构造性、计算性和误差分析 受到重视。例如，微积分基本定理又退回前页的中学做法（所以解运动方程 不再通过积分，而由有限近似的公式来表达）。机械化、程序化、通用化、 初浅化的傻瓜数学受到了欢迎。复杂、高深不常用（如单纯形和卡玛卡算法）。 计算机还广泛应用数学实验，以演绎法为主导的传统数学已难抵挡计算 机实验法的引诱——通过实验使抽象理论获得现实感（即使正规的推理，也
　　
会有漏洞）。 所以，数学面临计算机挑战：下一代更愿接受构造方法、实验方法以及
傻瓜数学。但是无论如何，数学好比是计算机躯体的心智和灵魂。

七、由菲尔兹奖走向诺贝尔奖


　　诺贝尔奖本不授给数学，但是已有两次诺贝尔经济学奖发给了纯粹数学 家，表彰他们的发明——线性规划、对策论（竞争学）。二战军事、大工业 管理、经济都需要解决具体问题，刚好用了两个有普遍性的数学工具。他们 有运气。
　　特别是，它们并不深难（如线性规划不过是一次函数的极值在边界取）， 一旦社会需求，其效应跟半导体的发现可比，所以，数学就是力量。
　　深难并不是好的数学唯一标准。数学需要方向，要看发展趋势和社会需 求。应用数学（包括工业、经济、物理、生物学、社会学??）和计算数学， 基于数学建模和计算方法，由于计算能力增强有了巨大贡献的机会（例如， 使不安全的核试验停止）。
　　
同步辐射应用和 21 世纪的科技发展

　　　　　冼鼎昌 中国科学院高能物理研究所

　　冼鼎昌 理论物理、同步辐射应用学家。 1935 年 8 月 15 日生于广东广 州， 1956 年毕业于北京大学，曾在苏联牡布纳联合原子核研究所和丹麦 尼·破尔研究所进行科学研究，曾任中科院高能物理所同步辐射实验室主任。
1991 年当选为中国科学院院士（学部委员）。在领导建成我国第一个同步辐 射实验室过程中对其科学规划等作出了正确决策并解决了建设中一系列问 题；在粒子物理理论等研究方面取得多项重要成果。曾获国家科技进步奖特 等奖等多种奖励。

一、同步辐射的性质及其早期的应用研究

1947 年，在美国纽约州 Schenectady 市的通用电器公司实验室里的一台
70MeV（兆电子伏）的同步加速器上，首次在可见光的范围内观察到了强烈的 辐射，从此这种辐射便被称为“同步辐射”。同步辐射是速度接近光速的带 电粒子在磁场中作变速运动时放出的电磁辐射，一些理论物理学家早些时候 曾预言过这种辐射的存在。
同步加速器的出现，开创了从 50 年代开始的粒子物理的黄金时代。在世
界各国建成了一个又一个高能加速器，能量也越来越高。但是长期以来，同 步辐射却是不受高能物理学家欢迎的东西，因为它损耗了加速器的能量，阻 碍粒子能量的提高。然而几位有远见的物理学家则提出把电子同步加速器中 的同步辐射利用到非核物理的领域中去，虽然在当时大多数的高能物理学家 都没有看到这个建议的重要性。
同步辐射应用的可行性研究工作是 60 年代初期开始的，在华盛顿的国家
标准局的 180MeV 电子同步加速器、东京的原子核研究所的电子同步加速器以 及汉堡大学的电子同步加速器上，差不多都在同一个时期内进行了研究。其 结果是极为令人鼓舞的。人们很快便了解到同步辐射具有下列杰出性能：
（1）具有从远红外到 X 光范围内的连续光谱。光谱由一个叫做特征能量
的参量 Ec 所表征。总辐射功率的一半由能量大于 Ec 的光子所贡献。在实用单
位下，Ec 的定义为：
Ec［Kev］＝2.218×Ec［GeV］/ρ［m］
其中 E 为电子的能量，KeV 及 GeV 分别为千电子伏及十亿电子伏，ρ为电子 的弯转半径。
（2）高强度。沿着长度为 L 的弯转磁铁放出的同步辐射功率 Ptotal 为
Ptotal［kW］＝14.12×E4［GeV］I［A］L［m］/ρ2［m］
其中 I 为储存环中的电子电流，A 及 kW 分别为安培及千瓦单位。
　　（3）高度的准直性。在每一瞬时同步辐射的发射呈一个很窄的锥状，锥 轴与电子轨道相切，能量为 Ec 的辐射光锥的张角ψ（以毫弧度 mrad 为单位）
与电子的能量 E 成反比：

? ［mrad］～ 0.511/E［GeV］
　　（4）高度的极化性。在电子轨道平面上放出的同步辐射是完全线极化 的，而离开电子轨道平面方向发射的同步辐射是椭圆极化的。
　　（5）由于在储存环里的电子是束团状的，同步辐射是脉冲光源，脉冲的 宽度为 100 皮秒量级，脉冲间隔为微秒或亚微米量级。这种强脉冲光源十分 有利于对一些特定过程（例如化学反应、生命过程、材料结构的变化过程等） 的研究。
（6）精确的可预知的特性，可以用作各种波长的标准光源。
　　（7）绝对洁净。因为它是在超高真空中产生，而且没有任何（如阳极、 阴极和窗带来的）污染。
　　（8）性能极高的光源。设计精良的储存环使电子束在环中只有很小的截 面和很小的发散角，插入件的使用还可使之更小。
　　从此，人们改变了对同步辐射的最初看法。虽然在最初，作为高能物理 研究的副产品，同步辐射应用研究只在很小的规模上开始，但到后来，在几 乎所有的高能电子加速器上，都建造了同步辐射光束线及各种应用同步光的 实验装置。特别是在 1965 年，随着世界上第一个电子储存环在意大利弗拉斯 卡蒂（Frascati）建成，人们立即看到它可以作为一种强大的同步辐射光源 的前景。从 70 年代开始，同步辐射应用便步入了它的现代阶段。至今，同步 辐射装置的建造及在其上的研究、应用，经历了三代人的发展。

二、第一代同步辐射装置及在其上的研究、应用


　　第一代同步辐射光源是在那些为高能物理研究建造的储存环和加速器上 “寄生地”运行的，如美国斯坦福的 SPEAR 储存环、康奈尔大学的电子同步 加速器、德国汉堡的 DORIS 储存环、意大利弗拉斯卡蒂的 ADONE 储存环等等。 中科院高能所的北京同步辐射光源，在兼用模式下属于第一代同步光源。
虽然第一代同步光源不是为同步辐射应用而专门特殊设计的，但是它的
高强度与从远红外到硬 X 射线的宽阔的光谱已经使它具有了无以伦比的能 力：很短的数据采集时间、可连续选择的波长变化和高的能量分辨率等等， 从而开创了许多新的研究领域。例如：在固体和液体中确定某些特定元素的 近邻环境的研究，微电子学中的深亚微米软 X 光光刻技术，甚至对那些已经 成熟的方法，如 X 光晶体学分析、利用光与物质相互作用后的二次发射进行 谱学分析的方法等，都因同步光源的出现带来了新的机遇和新的活力。
　　很快地，不仅物理学家，而且化学家、生物学家、冶金学家、材料科学 家、医学家和几乎所有的学科的基础研究及应用研究的专家，都从这个新出 现的光源看到巨大的机会，它使许多研究者长久以来所追求的梦想变成现 实。而且，在这些第一代光源上还展示了一些非常重要的工业及社会应用的 可行性，如使用同步辐射 X 光的亚微米光刻、非插入性的心血管造影等，到
了 70 年代的中期，第一代同步辐射装置的数目迅速增加。然而，在对储存环 性能的要求上，同步辐射的用户与高能物理学家的观点是矛盾的，它使同步 辐射的用户们完全有正当的理由不满足于第一代同步光源，要求建造不是作 为高能物理的“寄生”应用，而是专门为同步辐射应用设计的第二代同步光 源。在美国，这种强烈的要求反映在 1976 年美国国家科学院的一个正式的报 告里。在欧洲和日本，建造新的一代同步光源的潮流也是差不多在这个时期

开始的。


三、第二代同步辐射装置及在其上的研究、应用


　　第二代同步光源是专门为同步辐射的应用而设计的。为改进所产生的同 步辐射的质量，需要将储存环的结构作最优化的设计。在储存环中运动的电 子，并不是都沿同一的轨道运动的，事实上，它们的运动轨道大都偏离理想 的轨道，这就使得电子束团有一定的横截面和发散角。在加速器物理学中， 在每一方向上这二者的乘积称为在这个方向的“发射度”，它的单位是［纳 米·弧度］（［nm·rad］）。在相同的电子能量和电子电流的条件下，储存 环的发射度越小，放射出的同步辐射的亮度也就越高。在同步辐射的应用中， 许多尖端的实验要求高的亮度，这就要求作为光源的储存环的发射度小。一 般说来，高能对撞物理用的储存环的发射度都较大，通常都达几百 nm·rad
（见表 1）。也就是说，高能物理与同步辐射应用对储存环的要求是矛盾的。 虽然自 1975 年，法国 Orsay 的正、负电子对撞机 ACO 在它的高能物理研究计 划结束之后被转用为一台专用的同步光源，从而开始了将退役高能物理加速 器转变为专用同步辐射光源的第一个记录，但是同步辐射的用户很清楚，这 种第一代光源是不能满足他们越来越高的要求的，必须从设计开始就考虑到 他们的要求。
为了减小发射度以提高同步辐射光源的亮度，美国 Brookhaven 实验室的
两位加速器物理学家却斯曼（R.Chasman）与格林（K.Green）发明了一种把 加速器上的各种使电子发生弯转、聚焦、散焦等作用的磁铁按特殊的序列组 装的方法。这种组装序列后来被称为却斯曼-格林阵列（Chasman-Green lattice），此设备以及后来受此设备启发而提出的各种改进方案，不但是第 二代同步光源的基础，也是更新的第三代同步光源的基础。以却斯曼-格林阵 列的采用作为第二代同步光源的标志是合适的。合肥的同步辐射光源属于第 二代光源。
大部分第二代同步辐射源如英国 Daresbury 的 SRS，美国 Brookhaven 的
NSLS 以及日本筑波的光子工厂（PF），都是在 80 年代前后建成的。它们的 发射度大约为 100nm·mrad（见表一）。随着第二代同步辐射源的投入使用， 出现了在一个实验设施上聚集着来自极为众多的学科的科技人员川流不息地 工作的空前景象。

表 1 三代同步辐射源的主要参数



代别

装置名称

E(GeV)
Ec(KeV)

发射度(nm · rad) 典型亮度 (ph/s/mm2
/mrad2/0.1%BW)


Ⅰ SPEAR(美) 3 4.7 450


1012 ADONE(意) 1.5 1.5 200 DORIS(德) 3.7-5.5 9.2-23 270/560 BEPC(中) 1.6-2.8 0.88-4.7 660-76


Ⅱ NSLS(美) 2.5 5.0 100


1014 PF(日) 2.5 4.1 130 SRS(英) 2.0 3.2 110 HEYSL(中) 0.8 170

Ⅲ ESRF(西欧) 6 14 7

1016-1019 ELEKTRA(意) 2 3.2 7.1 SPRING-8(日) 8 28.3 5.6

在科学上，同步辐射的应用主要是通过对物质中原子的位置（物质的原
子结构）和原子里的电子所处的状态（物质的电子结构）的研究以弄清物质 的力学的、热学的、电学的、磁学的、光学的、生物学的，及其他等等方面 的性质。反过来，弄清楚这些性质与结构的关系，便有可能通过对上述两类 结构的控制与改变来设计有着预期性能的新材料，从而为技术科学与工业应 用开拓广阔的新前景。
在方法上，第二代同步辐射装置上的科学实验大致可以分成两类：
　　（1）弹性散射。例如，物理学中历史悠久的 X 光衍射法便属于此类。由 这类实验可以确定物质中原子及分子的空间位置。在上述的例子中，虽然从 衍射图样中各个光斑的空间分布及强度来推定各原子、分子在物质中的位置 是自 1912 年劳埃的开创性工作以来物理学的传统手段，但是同步辐射的高亮 度与波长的可调性，使得不但使用散射时的振幅，而且利用其位相成为可能，
这就为这种方法打开了新的局面，提供了前所未有的可能性。
　　（2）谱学研究。例如，吸收谱、发射谱、荧光谱、光电子谱等。由这类 实验可以确定物质的电子结构，包括化学键。这方面的研究也给出一些物质 的原子结构的信息，例如广延 X 光吸收谱的精细结构（EXAFS）的研究。
除了基础研究和应用研究方面的活动，在第二代同步辐射装置上的工业
应用也增多到令人瞩目的程度。据一份最近的报告，在真空紫外（VUV）能区 的装置上与工业应用有关的份额，日本达 33％；美国的 BNL 更高，达 55％； 欧洲比较落后，为 10％。新发展起来的同步辐射软 X 光微机械加工的 LIGA 技术、同步辐射 X 光精密加工技术等均具有很重要的价值，前者已经走出实 验室，成为一门新的产业。同步辐射装置已经成为化学工业、石油工业、制 药工业、新材料合成等工业应用的强有力的手段。

四、第三代同步辐射装置及在其上的研究、应用


　　第二代同步辐射装置对科技研究与工业应用的巨大推动，促使世界各国 政府支持建造新的一代具有更高亮度的同步辐射光源，这就是目前在许多国
　　
家中正在建造的第三代同步辐射光源。 推动建造第三代同步光源的动力是科技上要求有更好的空间分辨、更好
的时间分辨、更好的动量分辨、更好的能量分辨的手段。保证这些“更好” 必须以更高的光源亮度为前提。
　　如果说第二代同步光源以专为同步辐射应用考虑的却斯曼-格林磁铁阵 列为标志的话，第三代同步光源则以大量的插入件的应用为标志。
　　插入件的概念是苏联物理学家 V.Ginzburg 早在 1947 年就提出来的。而 这种器件的应用则是美国人 H.Motz 第一次实现的。插入件用于同步辐射的产 生是在 70 年代末 80 年代初。
插入件是一系列周期地排列的磁铁，其周期数为 N，周期长度为λ0，它
插入在储存环两个弯转磁铁组件之间的直线段，所以得到插入件的名称。当 电子经过插入件时，在磁场的作用下，电子将沿一条近似为正弦曲线的轨道 运动，在插入件中摆动的次数刚好是 2N，摆动的曲率半径反比于磁场峰值 B0。插入件的性能由偏转参数 K 描述，K 的定义为：
K＝eB0λ0/2mπc2
在实用单位（磁场强度以忒斯拉 T 表达）下有 K＝0.934λ2［cm］B0[T]
当 K＞10 时的插入件叫做扭摆器，当 K＜1 时叫做波荡器。一般的扭摆器是强 磁场与较长周期的插入件，由于较高的磁场会使扭摆发生较大的形变，运动 轨道的曲率半径ρ变小，由于同步辐射光谱的特征能量 Ec 反比于ρ，这样， 通过在储存环上安装高磁场的扭摆器，可以使同步光谱向高能方向移动，而 且同步光的强度也将增强 2N 倍。
　　在 1980 年试验成功的、利用当时新出现的稀土合金永磁体磁铁制成的波 荡器，是插入件发展史中的一件大事。永磁体磁铁的采用可以将插入件磁铁 周期缩短到几个厘米，从而大大地增加在给定的直线段中磁铁的周期数。这 种插入件的磁场决定于永磁体磁铁间的磁隙。在低磁场、大周期数的情况下， 电子在穿过这种插入件时，其轨道只作轻微起伏，因而得到了“波荡器”这 样的名称。由于电子在波荡器中运动轨道的曲率半径很大，一般地，波荡器 是不能使同步光谱向高能方向移动的，但由于电子的偏转角小，从波荡器中 不同的磁极上发射出来的光子在很大的程度上相干地叠加，干涉效应使得同 步光谱中出现一系列尖峰。也就是说，波荡器给出一系列近乎单色的同步光，
而且在这些波长上的同步光的亮度要增强 N2 倍以上。在波荡器中产生的同步 光的发射角是很小的，近似地说，只有弯转磁铁上产生的同步光的发射角的
1/ N 。目前使用精心设计的波荡器可以把同步光的亮度增加 5 个数量级以 上。
　　第三代同步光源的特征是为大量使用插入件而设计的低发射度储存环。 这些环的发射度一般都小于 10nm·rad（见表 1）。它们所发出的同步光的亮 度比最亮的第二代光源至少高 100 倍，比通常实验室用的最好的 X 光源要亮 一亿倍以上！
　　从 1994 年开始，世界上已经有五个第三代同步光源投入运行。有为数更 多的第三代光源在建造中（见表 2）。
　　在第三代同步辐射装置上的科学实验的类型，比在第二代装置上的增加 了一种，就是非弹性散射。以非弹性 X 光散射为例，目前已经能够做到
　　
能量分辨达几个 meV
　　传递动量分辨△q/q～0.03 更为重要的是，研究手段从过去的静态的、 较大范围里平均的手段扩展为空间分辨的与时间分辨的手段。

表 2 世界上的第三代同步辐射光源


装 置
电子能量 E(GeV)
　发射度 (nm · rad)
可用直线 段数目 　典型亮度 (ph/s/mm2/ mrad2/0.1%BW)

目前状况 ESRF(欧) 6 7 29 2 × 1018 运行 APS(美) 7 8 34 建造 SPring － 8(日) 8 5.6 38 3 × 1018 建造 ALS(美) 1.5 3.4 11 运行 ELETTRA(意) 2.1 4.0/7.1 11 运行 BESSY Ⅱ(德) 1.7 6.1 16 建造 MAX Ⅱ(瑞典) 1.5 8.8 8 2 × 1018 建造 SuperACO(法) 0.8 37 8 运行 SRRC(台湾) 1.5 19.2 6 运行 LNLS(巴西) 1.15 33.9 6 建造 PLS(韩) 2 12.1 10 5 × 1017 运行 SLS(西) 1.3 15 12 批准 NANOHANA(日) 1.5/2.5 批准 SLS(瑞士) 1.5 1.6 6 2 × 1020 设计 SIBERIA(俄) 2.5 76.5 4 建造 INDUS Ⅱ(印) 1.4 批准 DIAMOND(英) 3 10-15 12 3 × 1017 设计

1.空间分辨型实验带来的新机遇
　　对于大多数的第一及第二代光源上的实验，由于亮度的限制，同步辐射 光斑不能太小，照射到样品的面积也就较大，因此所得到的信息实际上是在 这个面积范围里的平均信息。但是，科学技术的发展要求的不是这种平均的 信息而是范围越来越小的局域的信息。
例如，微电子学的发展使得线宽为 0.1μm（100nm）的芯片问世在望，
这方面的技术进展要求对芯片的结构分析与成份分析局域化，这可以通过用 空间分辨小于此线宽尺度的扫描 X 光显微分析或扫描谱学分析来达到。在亚 细胞水平的生物学和医学研究、高强度合金、陶瓷材料、聚合物等许多方面 的研究中，都需要有纳米水平的结构、成份、化学键等等方面的信息，这些 都要求空间分辨型的实验。
　　随着科学的发展，许多学科都需要对在某些极端条件下（如极高的温度、 极大的压力、极高的电场和磁场等等）的物性进行研究，而在实验室中，这 种极端条件只能在一个极小的区域中才能实现，这就要求待研究的样品被限 制在一个很小的尺度内。地质学家感兴趣的地球内层，是由在压力为 360GPa 与温度为 6000K 的固态铁-镍合金构成的；而天体物理学家感兴趣的一些星体 上的物态，例如木星和土星的内层，则要研究处在更极端的条件下的氢-氦混
　　
合物。目前由于高压物理实验手段的发展，这个水平的条件在实验室中是有 可能达到的，但是只限于很小的体积内，一般小于 100μm3 。如果研究在
100GPa 下的固态氢，由于它极好的压缩性，样品的体积更小，只有几个μm3。 最好的第二代同步光源所能研究的最微小的样品约为 300μm3，这就是为什
么只有应用第三代同步光源才能研究一些极端条件下的物性的道理。
　　高亮度的微米束 X 光，在很多领域中有非常广泛的应用，例如微区荧光 分析、非破坏性应力的三维分布研究、非破坏性元素的三维分布研究等等。 第三代同步光源对许多蛋白质晶体的研究大有裨助，因为在许多情况 下，制备大尺寸的蛋白晶体是非常困难的。使用第三代同步光源，蛋白晶体 样品的尺寸可以减小到～20μm，而在使用第二代同步辐射光源的情况下，这
是不可能做到的。
2.时间分辨型实验带来的新机遇
　　同步光源是一种脉冲光源，脉冲宽度约为 100ps，脉冲间隔约为 0.01-1 μs（取决于储存环的周径与运行的电子束团数目）。这种光源对很大一片科 技领域内的动态研究是十分有用的（图 1），然而，由于亮度的原因，这种 脉冲性质在第一及第二代光源上基本上没能得到充分应用，而在第三代光源 上，这方面的工作将会占越来越重要的地位。



　　以生命科学研究为例，了解生物大分子的结构只是进入分子生物学的第 一步，第三代同步光源的出现使得通过结构的实时改变来了解许多生命过程 成为可能，从结构研究进入到功能研究的领域。作为例子，蛋白质动力学的 不少领域的时间尺度是落在这个时间分辨领域中的，如：分子间振动（fs- us）、有序-无序转变（ns-ms）、酶作用（ms）、蛋白质-蛋白质相互作用（ps-ms）、 质子/电子迁移反应（ps-ms）、金属-配合基（ligand）结合（ps-ms）等等。 正是由于这个新机遇，无怪乎在新落成的欧洲同步辐射中心（ESRF），有 45
％的实验申请来自生命科学家。
　　在第一与第二代光源上，由于信噪比差，同步辐射时间分辨谱学研究几 乎可以说是没有得到开展，对于第三代光源来说，情况有根本的改变，原则 上这类实验的时间分辨可以降到纳秒以下，这是一个牵涉到许多学科领域的 大事。


五、同步辐射应用的发展趋势及其 在我国下一世纪高科技发展中的重要作用


1.作为多学科共同应用中心的同步辐射装置 在当代的科技发展中，学科交叉与科学-技术在新的层次上的结合占有越
来越重要的地位，导致了许多重大的突破和新的科研领域的诞生。前者可以 生物-医学科学的一些重要发展（如 DNA 的双螺旋结构）为例，而扫描隧道显 微镜则是后者的一个很好的例子。可以预期，学科间高度的交叉与融合将是 下一个世纪科技发展的特征。如果对此没有充分的认识，那将会严重影响我 国下一世纪的科技发展。以下我将以同步辐射在生物-医学科学中的应用作为 例子来说明这点。
在世界上过去二十多年中发展起来的同步辐射中心提供了一个多学科交

叉与科学-技术结合的自然的场合。例如，在这里，生物-医学科学家已经成 功地开辟了许多新的领域：生物分子及蛋白晶体的结构分析、活的生物体在 器官、细胞、细胞核以及分子水平上的结构分析、药物筛选、非插入的双色 数字减除法心血管造影，在活的细胞中化学元素的三维拓扑构像等。这些都 是生物-医学家和物理学家、化学家、计算机科学家与工程师紧密合作的成 果。目前世界各国正在大力发展的第三代同步辐射光源的出现，使得这些领 域从基本上是静态的、结构的研究开拓到动态的、功能性的研究成为可能。 而这些方面将会是下一个世纪的生物-医学科学的研究重心。这样就出现了一 个在以前难以想象的现象，就是在一些结构生物学研究中心里，非生物背景 的研究人员的数目不下于有着生物背景的。在一些新建成的同步辐射中心 里，来自生物界的研究申请占首位，但是在最初，生物-医学科学家却是不习 惯于离开他们自己的实验室到像同步辐射中心那样的多学科交叉的环境中工 作的。这种中心的先进的工作条件及其独特的工作环境的重要性，将在下一 世纪的科技发展中会越来越明显地为人们所认识。
2.同步辐射在工业生产领域中带来的一巨大的新机遇 同步辐射在工业生产领域中带来了一个巨大的新机遇：微机械的大规模
的加工技术——LIGA 技术。 高科技的发展，已经把微机械加工提到日程上。例如，光纤光缆通讯技
术的发展，要求能够由工业大批量生产具有微结构的光纤芯耦合器，以取代
目前手工或半手工的操作。这种工业就属于微机械加工业。 现代的微机械加工是指宽度为几个到几十个微米、高度为几十到几百微
米的机件的加工，它的第一个主要特征是高宽比（aspect ratio）大，为几
十以上；它的第二个主要特征是有着生产集光、机、电性能于一体的微系统 的潜力。微机械产品正在被应用到越来越广泛的领域中，例如，微马达和微 照明灯具已被应用于非剖开性的人体内部外科手术，微米结构的同位素分离 喷咀已被用于核燃料铀的富集生产中。目前，微机械加工是一门正在成长的、 具有巨大前景的新工业，将会成为下一世纪的一门主要的工业，应当引起我 国的高度注意。
当前正在发展的微机械加工技术有多种，但就大规模生产与高度的适应
性而言，80 年代中在德国发展起来的 LIGA 技术，在国际上被认为是微机械 加工的一个最有前景的新方向。
LIGA 是德文 Lithogrsphie（光刻）、Galvanoformung（电铸成型）和
Abformung（塑铸成型）三个字的字头，它由深层同步辐射光刻、电铸成型及 塑铸成型这三个工艺过程组成。所以准确的名称为微机械加工的同步辐射深 层光刻、电铸成型与塑铸成型技术，简称为 LIGA 技术。在原理上 LIGA 技术 与全息记录的大规模复制（例如，激光唱片生产）有点相仿，第一步是用光 刻的方法在光刻胶上刻出微机械或微器件的三维结构，第二步是通过电铸从 光刻胶三维结构上产生金属母模，第三步是用母模通过电铸或塑铸方法复制 许多金属的或其它材料的生产用模，最后一步是用生产用模作大规模复制。 LIGA 技术中的光刻工艺与微电子工业所用的光刻工艺是很不相同的。微 米级微电子器件的刻蚀深度不大于几千埃，刻出的结构的高宽比小于 1，所 以也称为平面的光刻，所使用的光源的波长在可见光到紫外光的范围便已足 够。与之对比，LIGA 技术中的光刻的深度要到千倍以上，故此也称为立体的 光刻。要增加刻蚀深度，必须使用波长比紫外光短得多的 X 光。如果要做几

十到几百微米深度的光刻，所使用的光应是波长在 2-10 埃之间的 X 光。 对于深层光刻所使用的 X 光源的性质，除了波长之外，还有两个重要的
因素，就是光的功率密度和准直性。它应当有足够大的光功率密度和足够好 的准直性，前者是为了曝光的需要，后者是为了保证制作出来的微机械结构 的垂直面具有优异的平行度。目前的软 X 光光源，有用轻元素为靶的常规 X 光源，聚焦激光打靶形成的等离子体产生的软 X 光以及同步辐射光源。第一 种光源功率小，第二种光源目前达到的波长在 100 埃以上。两种光源都属于 点光源，光的准直性都不好，而且两种光源的功率密度都不足以在合适的时 间内使厚的光刻胶层曝光。最适合于深层光刻的光源是同步辐射光源。
　　目前国际上普遍认为，LIGA 技术是大规模微机械加工的一个极重要的方 向，有着巨大的发展前景。最新的报道为用 LIGA 技术生产出可植入人体的微 型电机，其直径只约为 1mm，厚度为 1.9mm，重量为 0.1g，转速为 10 万转， 直径细如发丝的齿轮的精度达微米的量级。这是一个说明科学与新技术结合 给工业带来的巨大的新机遇的例子，通过它可以看到下一个世纪科学技术发 展的特征，这就是学科间高度的交叉与融合。对此，不但科学家，而且产业 界和规划人员必须予以高度重视，否则我国科技界将与许多新发明和新发现 失之交臂，也无法实现在我国建立起一个有着世界上领先水平的产业界的局
面。
3.同步辐射中心作为一种特殊模式的大科学设施
20 世纪科学发展的一个重要特征是大科学的出现，而且，大科学设施的 规模与建造的投资有越来越大的趋向，绝大多数的大科学设施的建造与运行 是由国家支持的。为了得到公众的支持，一个必须回答的问题是：进行基础 研究的大科学设施，它们对于生产力的发展有何影响？对于多数大科学来 说，可以用图 2.的线性模式来说明它们的影响，即，在大科学设施上进行的 基础科学研究支持应用基础的发展，应用基础的发展最终在工业中的应用将 影响生产力的发展。经验告诉我们，这种影响常常是一个漫长的过程。



















如果按计算机的术语说，上面的线性模式是串行输出的模式的话，相反
地，在同步辐射设施上这三类活动是同时进行的，亦即作为大科学装置的同 步辐射设施对基础科学、应用基础与工业应用的关系如图 3 所示，是并行输 出的。正是由于这个特点，在世界上有条件的国家中，同步辐射设施的建造 都得到优先的支持。
4.我国是否应当和是否能够建造第三代同步辐射光源？

我国是否应当建造第三代同步辐射装置？ 在读了上面的介绍后，回答是当然的：是！因为它是促进下一个世纪科
技发展的一个十分重要的手段。 我国是否能够建造第三代同步辐射装置？
　　第三代同步光源对工程技术的要求是苛刻的。以美国伯克莱的 ALS 为 例，在其波荡器里的电子束的截面是椭圆形的，水平方向的长度是 335μm， 而垂直方向的长度仅 65μm，相当于一根头发的直径。实验上要求电子束流 有很高的稳定性，稳定到其截面尺度的十分之一。反映在安装精度上，这就 要求在安装在周长近 200 米的近 200 个各类的二极、四极等磁铁的中心对设 计位置的偏离小于 150μm；对于波荡器的要求更高：在其 5 米的长度上，每 个磁极的位置安装精度好于 20μm，而且这个精度在 40 吨的磁力作用下仍能 保持！其他对磁铁的加工精度、电源的稳定度、地基的抗振能力、磁场分布 的精度等等的要求，同样都是相当苛刻的。在这些精度都达到后，还需要有 巧妙的电子束流监控系统，随时监测电子束流的位置并给以必要的校正，以 保证束流位置的稳定。
　　虽然这些技术都是当前的尖端技术，但是都属于成熟的技术，只要有精 密机械加工的保证和在设计、测试、安装等方面的严格把关，这些苛刻的指 标都是能够达到的。所有已经投入运行的 5 个装置的建造经验都证明了这 点。我国在建造北京和合肥两个同步辐射装置中已经有了一支有实践经验的 科技队伍，只要领导得当，有足够的支持，是完全能够胜任的。
同步辐射是对科技发展起十分重要作用的一种先进手段，同步辐射中心
是独一无二的为最众多学科服务的研究中心，是一个各学科交叉、融合的天 然场合，其重要性已为世界上广大的科技界所认识，并得到各国政府的大力 支持。改进及提高我国已建成的同步辐射设施的效能，并建造一个最先进的 同步辐射中心，将对下一世纪我国高科技发展起关键性的推动作用。

高性能无机材料的现状与展望

严东生 中国科学院

　　严东生 材料化学家。1918 年 2 月 10 日生于上海。1939 年毕业于燕京 大学。1949 年获美国伊利诺大学博士学位。历任中国科学院冶金陶瓷研究所 研究员、上海硅酸盐研究所所长，中国科学院副院长。曾任中国硅酸盐学会 理事长、荣誉理事长，中国宇航学会副理事长以及亚洲各国科学院联合会主 席。现任中国科学院特邀顾问、中国化学会理事长等职。1980 年当选为中国 科学院院士（学部委员）。1985 年当选美国纽约科学院院士。1986 年获美国 伊利诺大学和法国波尔多大学、1993 年获香港理工大学荣誉科学博士，1988 年当选国际陶瓷科学院创始院士。1991 年当选第三世界科学院院士。是我国 无机材料科学奠基人之一。
　　日本通产省曾对高性能无机材料从 80 年代到 90 年代初的生产发展的实 际情况，以及从 90 年代初到 2000 年发展预测，得到的结果是在这 15 年间将 增长 4-6 倍。在金属、有机高分子、无机这三大类新材料中，不论增长速度 或绝对产值均占首位。并预计在 2000 年的产值将超过文字处理机、工业机器 人等产业。美国在 1990 年高性能陶瓷的总产值为 25.3 亿美元，其中功能陶 瓷占有 75％的市场，结构陶瓷占 25％。美国商业部预测到 2000 年总产值将 增加一倍多，达 59 亿美元，其中功能陶瓷将占 60％，而结构陶瓷将占 40％ 的市场。日本无机新材料的产值远高于美国，1985 年为 67 亿美元，1990 年 已达 120 亿美元，预计到 2000 年将达 250-400 亿美元，是美国的 4-6 倍。

一、高性能无机材料高速发展的推动力


　　1.高性能无机材料具有如此高速、持续的发展势头，主要特征和动力来 自于以下几个方面。首先是应用需求牵引，成为最重要的动力。例如信息技 术的发展，从电子信息处理，发展到光电子信息处理，以至于光子信息处理， 需要一系列材料作为基础。包括：光-电子材料，非线性光学材料，光波导纤 维、薄膜与器件等等。又如能源工程技术的发展，要求能耐受更高温度、高 可靠性、寿命可预测的结构材料，以提高效率，改善环境；也要求更好的耐 磨损、耐腐蚀、耐高温的材料等等。再如随着人类社会的进步，人体修复的 需求将会日益增长，必将带动各类生物医用材料的发展。
　　2.其次是多学科交叉的推动。材料科学本身就具有多学科交叉渗透的特 征，包括丰富的内涵。例如材料的组分（分子）设计与合成，涉及许多化学 学科的分支，如高温过程的热力学、动力学以至在温和条件下的仿生合成等。 当研究与了解材料的微观结构与性能的关系时，就要涉及到物理学，特别是 凝聚态物理；以及力学，特别是非连续介质微观力学诸学科。当联系到材料 在各种条件下的使用效能时，就将涉及到众多的工程科学学科。
　　3.再有一个值得重视的趋势，就是材料、器件、系统一体化日益明显， 以发挥更有效的功能。这在功能材料领域表现得尤为突出。即使是结构材料， 也更多地从系统的效率、经济性、使用寿命的延长与减少环境污染等角度来
　　
考虑。
以上各点都推动着新材料、包括无机新材料的加速发展。

二、高性能无机材料在功能领域的应用


　　高性能无机材料具有电、光、磁、半导、化学等多方面的功能特性，从 而在广泛的应用领域中占有重要地位，并有广阔的开拓前景。简述如下：
（一）电性陶瓷——可分别归纳为几大类
　　1.介质材料。许多陶瓷材料具有高的介电常数，称为介质材料。按其结 构与性能，可分为以下几类。
（1）绝缘陶瓷。其典型代表有 Al2O3、 AlN 及 BeO 等。Al2O3 陶瓷已广
泛用作半导体集成电路的基片与高性能的封装材料。AlN 具有更高的导热系 数，有利于在日益增长集成度条件下热量的散失，是继 Al2O3 之后，下一代 的基片材料。BeO 同样具有高的导热系数，但由于铍的毒性，而且价格昂贵， 限制了它的应用。
（2）铁电陶瓷。这是一大类功能陶瓷，具有铁电性，以 Ba- TiO3、SrTiO3
等为代表，有宽广的应用性，其中电容性陶瓷的产量及销售额占有最大的比 重。
（3）压电陶瓷。铁电陶瓷经过极化处理，在大多数情况下可使其电畴转
向、排列，从而具有压电性，以钛酸钡、锆钛酸铅等为其主要代表。用它们 制成的器件，在水声、电声、超声、滤波、引燃、引爆等方面，有甚为广泛 的应用。最近，微位移器的发展，压电陶瓷及电致伸缩陶瓷发挥了很大作用。 著名的 Huber 望远镜在外层空间的位置的微小而精确的调整，就是用这种微 位移器实现的。
2.半导陶瓷——不少类无机物质具有半导性，被利用为在不同环境下的
敏感材料，发展成为传感器。
（1）湿敏材料、器件。
（2）温度敏感材料与器件——典型的有被广泛使用的 PTC、NTC 器件。
（3）气氛敏感材料与器件。
　　（4）变阻器（Varister）——SiC、ZnO 等。吸收高电压、脉冲电流， 作为避雷器等。
3.离子导体。其中以掺杂 CaO 或 Y2O3 的四方稳定 ZrO2 作为氧离子导体，
以及β”Al2O3 和 NaSiCON 作为钠离子导体最有代表性。前者作为在各种环境
下，包括高温窑炉、烟道气、汽车尾气和钢水中测定氧的浓度等，已发展成 相应的器件，获得广泛的应用。在近年来发展中的氧化物燃料电池（SOFC）， 氧离子导体是整个系统中构成传导氧离子的电介质部件，起到核心的作用。 而钠离子导体材料则是多年来引起材料界与电化学界重视的钠-硫电池的关 键材料。
（二）磁性陶瓷
　　1.软磁材料。以铁氧体为代表的软磁材料，人们经过多年的工作，开发 了几代材料，为磁记录介质的应用与发展做出贡献。它的优点之一，是更适 于在高频下使用。
2.硬磁材料。另外一大类铁氧体陶瓷构成铁磁体材料，也适用于高频，

同样获得广泛的应用。
（三）光性陶瓷
　　陶瓷材料做到透明，从而可利用其光性，是陶瓷材料制备科学的一大进 步。其关键是要在烧结致密化过程中，排除其中几乎所有的闭口气孔。否则， 由于存在着许多与可见光波长相似的气孔，射入光因强烈的散射作用，不能 透过，使陶瓷材料失透。
1.透明氧化铝。一般 Al2O3 陶瓷是不透明的，利用其耐高温、高硬度、
耐磨损，高强度以及电绝缘等特性。但当人们掌握了在制备 Al2O3 陶瓷时，
排除其中的全部气孔，即成为透明氧化铝。现在的水平，已可制出透过 95％ 可见光的管子，用做高压钠蒸气灯。在灯管内，温度可达 1400℃，同时钠蒸 气有强烈的腐蚀作用，透明氧化铝成为理想的灯管材料，现已是一巨大的产 业。
　　2.透明 MgO、ZnS 等。是红外及特殊的窗口材料。在工业、高温实验室及 国防上均有重要应用。
　　3.透明掺镧的锆钛酸铅（PLZT）陶瓷，是一种有广泛应用价值的功能陶 瓷。由于可制备得到透明的材料，在光阀、光调制、光存储、显示等领域获 得应用，成为光信息处理技术中的重要材料和器件。
（四）化学陶瓷
即利用其化学及电化学性能的一类材料。
1.气敏材料与器件，如 ZnO、Fe2O3、SnO2 等。已用于气氛检测器、漏气
报警及自动换气风扇等。
　　2.催化剂载体及催化剂——沸石、氧化铝、尖晶石以及相应的纳米材料 是很好或已获得广泛应用的催化剂载体，有些经过修饰就具有很好的催化剂 功能。
3.电极材料。用于诸多的电解工业，主要是碳化物、硼化物等。
（五）热性陶瓷
　　主要利用陶瓷，特别是涂层材料在适当的高温下具有高效率的红外辐射 特性。例如以 ZrO2 及 TiO2 为基的涂层，在食品、化工、医药等许多行业中
获得应用。

三、高性能无机材料在结构领域的应用


　　在结构领域应用的高性能无机材料，它的优势主要在于能够耐受更高的 温度，具有高的强度、耐磨损、耐腐蚀等性能。这方面涉及到的材料也是很 多的，主要包括氮化物系统材料，碳化物系统材料，氧化物系统材料，以及 陶瓷基复合材料等四大类。本文因限于篇幅，拟以氮化物系统材料为例，作 一些简要介绍。
　　高性能氮化物材料是一大类具有发展和应用前景的材料。一方面依据热 力学原则，对多元氮化物系统的相关系研究，提高了按性能要求加强材料设 计的能力。另一方面，以制备科学为指导，通过对微观结构的调控，可在材 料设计的基础上，调节与提高材料的性能。
　　近十几年来，我们以及国外几个重要的实验室通过大量工作，对氮化硅 材料的分子与晶相设计，以及制备条件-显微结构-性能之间的关系，已得到
　　
了相当深的认识，掌握了若干条重要的规律。例如β-Si3N4 和以它为基础的 固溶体可以发育成呈长板条状的微观形貌，从而赋予整体以高的强度及断裂 韧性；而以α-Si3N4 为基的固溶体，可以“清除”晶界中某些不利组元，同 时本身具有很高的硬度；其它各相可分别发育为各自的特征形貌，对材料整 体性能起到不同的作用。因此通过设计及对材料制备因素的掌握，可以在相 当程度上调控材料的性能，以适应材料的使用目标。
　　在这里，还应当强调晶界的组分及相组成对材料性能影响的重要性。利 用已掌握的知识，晶界的组分及相组成也是可以设计的，并使之与材料的主 要晶相相辅相成。
　　但同样应当明确的是，对复杂的氮化物体系的材料，不清楚或知之不深 的因素还很多，这里仍然是一块值得进一步开垦的园地，从中必然可以得到 新的、重要的收获。由于氮化物及其他高效能结构陶瓷所可能具有的优异性 能，人们预期在 21 世纪初叶，若干关键问题可望得到突破，从而大大扩大它 们的应用范围。其中一个典型的例子是在地面燃气轮机上获得应用，日本为 此而拟定的性能目标和研究内容可简述如下：
（一）高温高强材料
　　1.性能目标：1200-1300℃，寿命 103-104 小时，拉伸强度 30Kg/mm2，韦 伯模数 m＝20。
2.研究内容：高温高强材料的设计与表征，获得高疲劳强度的有关问题，
获得高可靠性的有关问题。
（二）高温耐腐蚀材料
1.性能目标：1200-1400℃，寿命 103-104 小时，拉伸强度 20Kg/mm2，m
＝20。
　　2.研究内容：材料的选择、设计与表征大型复杂部件的制备，高温耐腐 蚀性研究。
（三）高精度、耐磨、耐腐蚀材料
1.性能目标：500-800℃，103—104 小时寿命，抗折强度 50Kg/mm2，m＝
22。
　　2.研究内容：材料的选择、设计与表征；表面光洁度研究；耐磨与耐腐 蚀性能研究。

四、生物医用材料


　　高分子材料、无机材料及金属材料均已在生物医学领域被应用，作为人 体修复材料。但从生物相容性的特性分析，则高分子材料与无机材料有着更 大的应用前景。美国于 1996 年对人工骨与各类关节的市场需求量预测为约
200 万件，中国骨折病人约 10 倍于此。是一项重大的社会福利问题。 无机生物医用材料可分为三大类，即惰性材料、表面活性材料及可吸收
材料。属于惰性材料类的有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、生物微晶玻璃、复 合材料及涂层材料。属于表面活性材料类的有生物活性玻璃、生物活性微晶 玻璃、磷灰石类材料、复合及涂层材料。属于可吸收材料类的主要是羟基磷 灰石及可吸收的磷酸钙材料。
本文拟对涂层材料稍加介绍。其制备方法是以上述三类材料中的任何一

种为对象，一般以钛合金为基底，用等离子喷涂方法将它们在基底材料上形 成一层结合牢固的涂层。这类涂层材料具有若干优点，首先可使具有生物相 容性好的材料直接与生物体相接触；其次可以利用钛合金基底的强度与韧 性；另外涂层材料含有许多微孔，又与被植入体周围的生物体相容，在动物 中大量、长期试验证明，生物组织可以长入到微孔中，亲合性好，形成紧密 的结合体。因此是比较理想的植入体。现已有肘关节、膝关节及髋关节产品， 可供医生选用。在上海一地已有二百多病例。根据对植入髋关节病人的实例 统计，在未植入前，有 2/3 的病人在没有手杖时，就完全不能行走；而在植 入后则有 90％的病人借助手杖即可长距离行走，其中 3/4 的病人可脱开手杖 行走，效果相当明显。
　　以上谈了四点不求全面，但已看出高性能无机材料可具有多种优异的性 能，因而获得了广泛的应用，并有着巨大的发展潜力和美好的前景。新材料 和材料科学与工程本身就是高技术的重要组成部分；而且其他众多高技术领 域的发展，都离不开新材料作为它们的基础与支撑。因此展望高性能无机材 料的未来，将是一幅十分诱人的图画。
　　
化学（物质）污染与可持续发展

徐晓白 中国科学院生态环境研究中心

　　徐晓白 女，环境化学、无机化学家。1927 年 5 月生于江苏苏州。1948 年上海交通大学毕业，现为中国科学院生态环境研究中心研究员、博士生导 师，中国诱变剂学会理事，全国环境监测委员会委员。1995 年当选为中国科 学院院士。主要从事典型污染物的环境分析化学及污染化学研究。

一、概述


　　环境问题与国民经济可持续发展休戚相关。全球性十大环境问题：（1） 大气污染；（2）臭氧层耗损；（3）全球变暖；（4）海洋污染；（5）淡水 资源紧缺和污染；（6）土地退化和沙漠化；（7）森林锐减；（8）生物多样 性减少；（9）环境公害；（10）有毒化学品和危险废物。其中至少有七个直 接与化学物质污染有关（ 1，2，3，4，5，9，10，）。
我们正生活在一个化学品充斥的世界里面，在过去的 40 年，全球化学品
的种类与年产量均以指数关系急剧增长，到 1993 年已近 4 亿吨。现在大约每 隔不到 10 年产量就翻一番，而人类普遍使用的化学品大约有 8 万种之多，它 们对提高人类的生活水平起了（还正在继续起着）不可磨灭的作用，产生了 巨大的效益。但遗憾的是它们之中不乏有毒有害的化学品，例如：汞、农药、 氯乙烯、多氯联苯等。在化学品的生产、运输和使用过程中，曾发生过多起 严重的污染事故，造成巨大的生命和财产损失。印度博帕尔的农药厂毒气（异 氰酸甲脂）泄漏、俄罗斯切尔诺贝利核电站爆炸等，是这类事故的典型；而 更为大量存在的是微量化学品的暴露和对人类生存环境和人体健康的潜在的 污染影响。
在化学品的生产和使用过程中，有毒有害废物问题更为严重。据估计，
国际合作与发展组织成员国每年产生的有害废物达 3-8 亿吨。发达国家走过 “先污染，后治理”的弯路，化学品真正经过安全性评价的不足 10％，因此 大量化学品要重新评价。而传统上采用的填埋、地面堆存以及深井注入等处 理废物的手段，已证明是有很大问题的。仅美国就大约有数万个地下填埋场 是不符合标准的，其中列入 EPA 重点名单的有近万个（1987 年），而清理这 些处理场大约需要 230-1000 亿美元。许多填埋场地成为重大的污染源，其造 成的地下水污染和对公众健康的危害十分严重。因此，有毒有害废物的控制 和安全处置已成为当今环境保护的焦点之一。这在 21 世纪议程和我国白皮书 中都有详细的论述。就全球环境而言，除全球气候变暖、臭氧层耗竭、酸雨 等已成为众目睽睽的焦点外，人类普遍关心的化学污染的热点为：化工产品 的污染（塑料、农药、医药、造币、橡胶、钢铁、炼焦、有色金属采选、治 炼、皮革与皮毛、染料、基本化工原料、试剂）、大气污染、农业活动产生 的污染（农药、肥料以外还有农业废物）、富营养化（磷、氮）、油污染及 固废处理（城市垃圾及有毒有害废物）。

二、我国环境情况


　　我国化学品的生产和使用呈迅速发展之势。生产品种已超过三万种。目 前全国贮存的固体废弃物数十亿吨，占地达 5 亿多平方米（约 10％的农田）。 全国每年因固体废弃物污染所造成的损失约百亿元。随着经济的不断增长， 预计到 2000 年全国固体废弃物产量将比 1990 年翻一番，工业固体废弃物的 产量将达到 10 亿吨（其中约 10％有害）。
　　水污染方面，按近几年环境年报介绍，我国在环保方面已颁布了不少控 制法令或条例，各有关方面都有所改进。在国民经济年增长近于或大于 10％ 的迅猛发展形势下，废气、废水总排放量等基本上能稳定在一个水平上（北 京的烟囱基本上能不冒黑烟），这也是不易做到的。但是应指出的是，在水 环境方面除了湖泊减少、地下水位下降，不少的地区缺水或饮水困难外，工 业污染继续加剧，110 条重点河流污染日趋严重，部分地区废水逆流影响水 产养殖及沿岸渔业，有的河段两岸居民疾病频发。
　　70 年代，华北地区某化工厂无控排放农药生产废水，一次就造成数万亩 小麦颗粒不收，引起农民要求关闭工厂，后查明系中间产物三氯乙醛造成， 之后在南方又发生多起有关事故，进一步查明其在田间的降解产物三氯乙酸 危害更大。此外，调查还表明，农药污染造成的死亡人数大大超过交通事故。 最近淮河流域的问题已达到不能不解决的程度。还需要强调的是最近十 几年来对排水或水系中的汞、镉、砷、铬等重金属污染、氰化物和个别有机 污染物如苯酚、DDT、六六六等加强了控制管理，所以局部地区环境有所改善， 但对其他潜在的毒物（大多隐匿在年 620-700 万吨 COD 值中①）放任自流，以 致有的地区已明显影响养殖业的发展，有的地方严重污染饮用水源，导致居 民许多疾病发生。国外在 70 年代中就已开始对水中百余种有机污染物加以控 制，而我国酝酿已久的数十种优先监测污染物黑名单（其中不少是致癌、致
畸、致变三致物质），由于种种原因，至今尚未正式作为排控对象。

三、大气污染方面


　　目前除对酸沉降 pH 值比较注意外，重点关注的是颗粒物（工业烟尘、粉 尘）与二氧化硫。我国现行标准值高于 WHO 的标准。即便如此，不少城市大 气仍不能达到国家二级标准；另外要指出的是在大气污染中，我们对于不少 三致物质也未予足够的重视，例如对多环芳烃等，其代表物苯并（a）芘（俗 称：3，4-苯并芘）是明确的致癌物。根据一些研究结果表明，我国不少城市
（尤其是北方城市冬季取暖期间）大气中苯并（a）芘的含量仍很高。联系到 近几年环境公报披露我国城市人口死亡率中癌症已占首位，农村人口癌症的 死亡率也逐渐上升至第二位，不能不引起我们的深思。虽然癌症的病因复杂， 其中不乏与家族因素、遗传因子等有关，但一般公认环境因素是极为重要的。 大气污染在相当程度上与能源消耗及能源结构密切相关。一般说来，就 产生的单位能量而言，煤的污染最为严重。我国燃煤约占能源结构的 3/4， 而且在相当长的时间内不可能改变，因此燃煤引起的污染、健康及生态影响



① COD 值（化学耗氧量）：水体中能被氧化的物质，在规定条件下进行氧化过程中所消耗氧化剂的量，以
每升水体消耗氧的毫克数表示（相当于 ppm 级），一般主要反映水体受有机物污染总的程度。

也是可持续发展中重要制约因素。 工农业和城市发展后机动车增加引起的污染（包括 CO，NOx 及碳氢化合
物 HCs 以及由之而引起的光化学烟雾，以及三致物质等）同样也是不能忽视 的。

四、乡镇企业问题


　　在国民经济中近年来占显著地位、发展迅猛的我国乡镇企业方面，由于 对环保重视不够，污染呈加重的趋势。据有关部门测算，全国乡镇工业废水 排放量、工业固废产生量均达到全国的六分之一左右，工业粉尘排放量几为 全国的 50％，与 1989 年相比其增长率为 23-65％。
　　兹举某地经营拆卸电器的乡镇企业为例，其中有一部分为以多氯联苯为 介电质的国产电力电容器，其经济目的主要为利用其中废钢材、铜材及废铝 箔，有的制作玻璃台架或用以回收、甚至可能用于糖果包装，而在拆卸过程 中，不少介质油流失在周围场地。据估计，自 1985 年开始被拆卸的电容器已
有 2-3 千台（每台约有数公斤多氯联苯）。报载，按照国际惯例，每损失 7 公斤多氯联苯液体，即为特大环境污染案件，该地如此剧毒品的特大案件， 虽然经过多方努力，似乎取得了解决方案，并得到了一定的焚烧处理，但事 实上不少多氯联苯的流失已造成了附近农田河流生物的持久性污染，我们前 一阶段初步调查得到的结果是，堆放电容器的附近河流水中仍有明显的多氯 联苯污染（当地居民饮用水源），有的河道中鱼体内多氯联苯含量已超过某 些国家安全食品标准（国内尚无有关指标），附近家禽蛋类中也含多氯联苯， 实际上已构成对人体直接污染。

五、雌性化问题（国际研究热点）


　　上述多氯联苯是一类全球性的典型持久性污染，多氯联苯对动物的肝 脏、免疫系统、神经系统、皮肤及生殖系统均可造成危害。它们共有 209 个 异构体或同种物，毒性差别很大，且由于它们有时与剧毒二噁化合物共 存，而结构与毒性也有类似之处，所以常作为并行研究对象。美国最近耗时
3 年以上，耗资数千万重新研究了二噁类的毒性影响，现正在讨论对策。
其它研究也发现，这些污染物（还包括一些有机氯农药等，甚至某些日用品 的降解物）通过食物链（或其它途径）进入生物体（包括人体）后，除可能 导致癌症外，还能起到类似于雌激素的作用（因此被命名为环境类雌激素）， 其与性腺细胞雌激素受体分子结合，影响或甚至破坏内分泌系统。国外学者 将其与野生动物、鸟、爬行动物等雄性生殖器变化，特别是性别变态、雌性 化、繁殖能力降低等联系起来，有的科学家还联系人类生殖系统癌症的增加 及男性退化，甚至做出似乎是危言耸听的预言，认为若干年后，某污染地区 一半男子将没有生育能力，这不仅涉及人口素质，而且似乎危及人类生存。 中科院生态环境研究中心多年来研究发现，某化工厂的废渣中含有较高二噁
　类化合物杂质，其年产量相当可观，而多年应用于木材防腐及血吸虫病疫 区灭钉螺施药的五氯酚钠中也含有相当高的二噁类化合物杂质，它们进入 环境从疫区人血中都检出有相当含量。我国某地区矿区最近公布的流行病调 查也有相类似事例，这都是非常值得重视的。
　

六、不能走“先污染，后治理”的老路


　　前些时，科学报报道我国学者访日见闻中曾较详细地介绍了 1956 年发生 于日本九州水俣市（熊本县 1953 年就发现）的人间悲剧——水俣病，患者服 用附近海鱼及海产品而得病。当时由于技术条件分析不出原因，故以地域命 名，直到 1968 年才确认该病由于工厂向海洋排放富含甲基汞的废水（无机汞 进入水体、沉积后也能被细菌转化为甲基汞），而甲基汞通过食物链富集， 使当地渔民成为水俣病的受害者。甲基汞进入人体后主要损害神经系统，先 出现头痛、疲乏、健忘、情绪异常等一般症状，随后出现感觉异常、语言障 碍、运动失调、视野缩小、听力障碍等中毒症状。尤其严重的是甚至接触少 量甲基汞，未出现中毒现象的妇女也可能通过胎盘影响胎儿大脑发育，进而 导致流产、死产和婴儿患先天性痴呆或畸形，有的终生智力停留在两三岁水 平，有的不能行走、不会讲话、失明，长大后生活仍不能自理，有的患者 30 多年来病情还会发展（例如由尚能步行发展为瘫痪）。日本政府对确认的水 俣病患者（也有不少死亡者）曾给予赔偿。单熊本、新泻两个县就有 2946 人（每人 2400 万日元），1995 年还对受害较轻的又进行了最后一次赔偿（每
人 260 万元），总计直接经济损失已大于 2000 亿日元（相当于 170 亿人民币）。
由此一例也可见，无控排入污染环境的代价是沉重的。 发达国家经历了“先污染，后治理“的弯路，第二次世界大战后的工业
发展是在人们没有认识到环境问题的情况下进行的。人们对进入环境的绝大
部分化学物质（特别是有毒有害物质）及其环境行为（光解、水解、微生物 降解、甲基化、吸附、淋溶、挥发、生物富集等）及可能产生的危害，知之 甚微或迄今尚无所知，以致相当长一段时期以来流传一种错误的传统观念， 认为“经济和环境只有一种选择”，因此污染上升，灾难性后果严重事故不 断增加，而数以千计的危险废弃物堆放点引起的严重后果又是新发现的一类 严重问题。“污染影响的广泛性、积累性、持久性，其程度远超过认识水平”， 以致污染问题已构成经济持续发展的一个制约因素。1987 年世界环境与发展 委员会出版的《我们共同的未来》一书中提出“将环境保护与可持续发展统 一起来”的新概念和战略认识。中共中央十四届五中全会也提出“必须把可 持续发展作为一个重大战略”，“使经济建设与资源相协调，实现良性循环”。 我们必须吸取发达国家的经验教训，避免付出先污染后治理的昂贵代价。以 处理城市及工业废物为例，要清理过去的错误措施所费的代价要比实行正确 的措施昂贵得多（例如在美国清理费用大概要高 10-100 倍，拉芙运河就是突 出的例子），何况有的损失还根本无法补偿。
　　江泽民同志在第四次全国环保会讲话中指出“环境意识和环境质量如 何，是衡量一个国家和民族的文明程度的一个重要标志”，以国家、民族乃 至全球全局长远利益为基点，不贪图眼前的局部利益、不危害他人、不危害 子孙后代，保护环境，持续发展，这实际是精神文明和物质文明的统一。以 这种新的指导思想为前提，我们除了要密切注意发达国家的有关动态及研究 进展，引以为鉴或洋为中用外，不能让发达国家以任何方式将污染危害转嫁 给我们，不能让中国成为洋垃圾、禁用品的倾销地。最近有人在报上指出国 内外资企业中污染密集型的已由 1991 年的 29％上升到 1995 年的 39％，而有 的地区竟高达 47％，这是需要各方面重视的。我们应建立自己的研究体系，
　　
促进有关控制法令管理体系的建立和健全、以及正确实施，并建立环境保护 人人有责的思想和新风尚，吸取和发展各种现代化科技知识，减少污染，为 可持续发展做出贡献。

生命科学与结构分析

唐有祺 北京大学化学系

　　唐有祺 物理化学家。1929 年 7 月 11 日出生于上海。 1942 年毕业于同 济大学化学系。1946 年去美国加州理工学院深造，1950 年获该校博士学位。 历任清华大学，北京大学副教授、教授，物理化学研究所所长，国家教委科 学技术委员会副主任、主任，国务院学位委员会化学学科评议组组长，中国 化学会常务理事、理事长，全国政协常务委员等。1980 年当选为中国科学院 院士（学部委员）。长期从事晶体结构分析研究，取得多项重要成果。
　　学部通过联合办公室向我征求意见，要我有机会时讲一讲这个题目。我 认为生命科学发展到了分子水平，而且正方兴未艾，如能让更多的人了解一 下这个发展与结构分析，实际上也是与化学的渊源关系，一定是很有意义的。

一、生物化学的崛起


　　生命一直是带有浓厚的神秘色彩的课题。谁都说不清楚它的全部奥秘。 一些方面有点清楚了，其他方面又出现了新的问题，真是无尽的知识长河呀！ 其实有哪个重大而深远的课题不是这样的。只是生命这个课题，除了突出的 科学意义之外，对社会的关系也特别重大，再加它奥妙无穷，难怪神秘色彩 应运而生，而且层出不穷了。
生命科学应该是从现象到本质研究生命的学科。它的核心是生物学，包
括农学和医学等与生命活动密切相关的学科。生物学在 19 世纪后半期中接连 出现了 C.R.达尔文的进化论（1859）、G.H.孟德尔 1865 年发现后又被 H.M. 德符里斯等 1900 年从新发现的遗传定律和 R.C.魏尔啸的细胞学说（1860） 等突破性的重大发现，他们抓住了生命及其有关现象中最有特征意义的事 物，从而为生物学的学科框架奠定了基础。生物学要在此基础上进一步发展， 特别是要更多地揭示生命的共性和本质，极大限度地消除其神秘色彩以及解 决农业和医药方面的问题，就必须从化学方面来研究生命和生物体，并将认 识的层次从细胞深入到分子。正好化学从 19 世纪初起创立了原子-分子学 说，经过半个多世纪的实践，学科水平发展很快，已能在分析和合成以及研 究分子的结构等方面相当得心应手，足以担当这个方面的研究任务。这样就 开辟了生物化学研究方向，并逐渐形成了生物化学学科。
　　一个多世纪以来，生物化学用了前半个世纪明确了很多关于生命和生物 体的重大问题。它几乎把当时化学的全部招数都用上了。首先要提到的是关 于蛋白质化学本质的认识。它们都是由多种L型α-氨基酸缩合而成的多肽（E. 费希尔，1907），而且进入蛋白质分子的 L 型α-氨基酸共有 20 种。同时只 知其然地掌握了多种蛋白质的功能。其中有一大类是酶。生物体内进行的生 命过程都靠酶来催化和定向。还有几类对生命活动很重要的蛋白质如激素、 抗体以及作为氧分子载体的血红和肌红蛋白等。
　　生物遗传功能的载体也受到极大的关注。孟德尔遗传定律重新发现后将 原来的遗传因子改称基因，认为基因寓于染色体中，并深入联系果蝇等生物
　　
的形貌与染色体各个部分的关系，促成了遗传学的奠立和发展。作为基因载 体的染色体实际上是去氧核糖核酸（DNA）分子，而不是蛋白分子。但这一点 直到 1994 年才被 O.T.艾弗里所确证。
　　化学曾多次宁可接受环形分子，而对长链分子感到陌生，从而造成失误。 这样的失误在天然和合成高分子的工作中都出现过。H.施陶丁格尔曾对此有 所澄清（1926），但并未能对核酸问题起到作用。到了 30 年代蛋白质已经确 认为多肽链分子了，但 DNA 仍然被设想为四聚环形分子。
　　1944 年 A.J.P.马丁和 R.L.M.辛格发展出滤纸色层分析技术，使分离蛋 白质的 20 种氨基酸和核酸的 4 种核苷体成为可能，从而使蛋白质和核酸组成 的定量分析工作前进了一大步。E.夏尔加夫用了这种技术得出酸中胸腺嘧啶
（A）与腺嘌呤（T）和胞嘧啶（C）与鸟嘌呤（G）的等分子数关系。这个结 果后来成为 J.D.沃森和 F.H.C.克里克 DNA 双螺旋模型的重要依据。这种分析 技术也使测定蛋白质中氨基酸定量组成成为可能，从而得以进一步测定其中 氨基酸的顺序或蛋白质分子的一级结构（F.桑格，1953）。
　　归纳起来，生物化学研究了动物、植物以及微生物等各种生命形态的化 学特征，发现了形形色色的生物具有令人惊异的共性：它们含有相仿的化合 物，具有相仿的组成，并由类似化合物执行相仿的功能。生物体的基本单位 是细胞。构成生命的不同形态的细胞具有相仿的设计：细胞膜由磷脂分子双 层形成，遗传信息的载体是 DNA 和 RNA（核糖核酸）分子，为生命执行各种 使命的是蛋白质分子，还含有糖、类脂、氨基酸、核苷体以及它们的代谢物 等等。水对于生命是不可缺少的。细胞中水的含量约为 70％，按分子数计算， 高达 99％，细胞还含有少量无机盐类。

二、分子生物学的前夜


　　本世纪 40 年代是处在生物学带动生命科学进入分子水平的前夜。当时科 学界有几个与此有关值得重视的情况和动向。
（一）
　　生物化学的研究已经带动生命科学走向分子水平，而当务之急是对蛋白 质和核酸这两种生物大分子的立体结构或所谓高级结构进行分析，取得突 破，使关于生命过程以及生物大分子的功能的认识从知其然向也知其所以然 发展，从而来推动生命科学进入分子水平，并使分子生物学得以确立。
这里不言而喻：直接决定一般物质性能的不是分子的化学组成，而是其
结构，即原子在空间结合成分子的方式；生物大分子的功能也是直接在其立 体结构或高级结构的基础上发挥出来的，从而化学组成以及一级结构并不直 接决定其功能。
　　分子水平也确实给予了生命科学不可限量的活力和前景。生命的本质问 题，到了原子-分子水平，当能从化学和物理的规律中迎刃而解。在沃森等所 著《基因的分子生物学》书中曾有一个章节阐述“细胞遵循化学定律”。确 切的结构知识，能让我们看到，蛋白质分子在执行其在生命活动中的任务时， 几乎是万无一失的，俨然如一架分子机器。对生命过程的深入理解带来了高 技术如：基因工程、蛋白工程以及 PCR 等，它们都具有令人瞩目的应用前景。 生命的神秘色彩几乎消失殆尽。生命当今已与化学过程认同。
（二）

　　X 射线晶体学和结构化学到了 40 年代，水平已经发展到足以对付生物大 分子的结构分析问题了。这里先从晶体结构分析谈起。
　　19 世纪后期，有机化学已经发展到立体化学的水平，并为有机分子提供 了确定结构的方法，曾在有机化学的发展上起过重大作用。但化学之能全面 发展到今天这样的水平，饮水思源，当归功于上个世纪末 W.K.伦琴发现 X 射 线（1895）和 M.F.劳厄发现了晶体对 X 射线的衍射（1912）。1913 年 W.H.
和 W.L.布喇格父子测定了氯化钠和金刚石等的晶体结构。从此以后，X 射线 晶体结构分析成为测定晶体和分子结构的主要方法。比起立体化学或其他任 何方法，它具有无可比拟的优势。
　　这个方法利用了晶体中原子或分子在空间分布中具有三维周期性，而且 周期很短。一般说，晶体结构是三维点阵结构，点阵点所代表的一个单位， 称为单胞。不难推算，晶体例如金刚石中相邻原子间的距离当以 1/10nm 或
　　
。 。
A 这样的单位来计算。伦琴发现的 X 射线的波长也是以 A