光是生命起源和人類生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。對光的研究派生了人類科學(xué)史上量子力學(xué)等許多重大科學(xué)領(lǐng)域。這其中，光化學(xué)是研究光與物質(zhì)相互作用所引起的化學(xué)效應(yīng)的化學(xué)分支學(xué)科，始于20 世紀(jì)初。

光化學(xué)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(xué)。經(jīng)過上百年的發(fā)展，現(xiàn)代光化學(xué)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(xué)研究取得了快速發(fā)展，研究領(lǐng)域不斷拓展，研究系統(tǒng)趨向復(fù)雜化和多元化，研究內(nèi)容不斷深入，成為自然科學(xué)的一個前沿研究方向。

鑒于其與多學(xué)科（如生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域）廣泛交叉的特點，下文將以具體的科學(xué)問題為依據(jù)進行光化學(xué)各分支學(xué)科的劃分， 包括有機光化學(xué)、能源光化學(xué)、環(huán)境光化學(xué)、光生物學(xué)、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(xué)科情況簡要總結(jié)如下。

一

有機光化學(xué)是研究處于電子激發(fā)態(tài)的有機分子的物理和化學(xué)性質(zhì)的學(xué)科領(lǐng)域。書中重點介紹了近十年來有機光化學(xué)領(lǐng)域的重要進展，包括有機生色團光化學(xué)反應(yīng)、光敏化反應(yīng)和可見光氧化還原催化反應(yīng)，充分展示了有機光化學(xué)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(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)移到可見光氧化還原催化反應(yīng)上來，尤其是利用可見光氧化還原催化反應(yīng)實現(xiàn)惰性化學(xué)鍵的活化和官能化。為了進一步推動有機光化學(xué)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(xué)反應(yīng)新策略；②發(fā)展廉價、高效、穩(wěn)定、可重復(fù)利用的光催化劑和光敏劑；③探索有機光化學(xué)反應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用；④利用有機光化學(xué)的方法和技術(shù)解決能源、環(huán)境、生命健康等領(lǐng)域的瓶頸問題；⑤利用相關(guān)領(lǐng)域的新方法和技術(shù)助力有機光化學(xué)研究。

二

能源光化學(xué)是研究將太陽能轉(zhuǎn)化存儲為化學(xué)能的學(xué)科，是能源領(lǐng)域世界性的重大科學(xué)難題，兼具重要的科學(xué)意義和應(yīng)用背景。內(nèi)容主要包括基于半導(dǎo)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(xué)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(yīng)過程。該領(lǐng)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(xué)、物理、生物、工程等學(xué)科的發(fā)展取得了許多重要進展。半導(dǎo)體材料的發(fā)展經(jīng)歷了從紫外響應(yīng)到可見光響應(yīng)及材料吸光范圍不斷拓寬的階段；半導(dǎo)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(yīng)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(shù)，對催化的微觀反應(yīng)機理認識逐步深入。現(xiàn)階段該領(lǐng)域存在的主要問題是太陽能轉(zhuǎn)化效率遠低于實際應(yīng)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(shè)計理論、方法，提出指導(dǎo)材料設(shè)計、開發(fā)的物理參數(shù)及模型；②基于材料基因組科學(xué)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(shù)；⑤注重光（電）催化學(xué)科與其他學(xué)科的交叉融合研究。

二

環(huán)境光化學(xué)是研究利用光能進行環(huán)境污染物治理的學(xué)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(xué)、物理、生物等多個學(xué)科，該領(lǐng)域的發(fā)展既需要相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)研究為背景，在發(fā)展的同時也會更進一步促進有關(guān)學(xué)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(xué)凈化入手，介紹研究現(xiàn)狀，直面科學(xué)問題，進而提出學(xué)科發(fā)展建議。與能源光化學(xué)相似，環(huán)境光化學(xué)污染物治理也依賴于半導(dǎo)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(yīng)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(xué)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(fù)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(yīng)，向可見光、紅外光拓展，甚至擴展到全光譜響應(yīng)。但是，目前的種種進步和發(fā)展距離實際廣泛應(yīng)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(xué)環(huán)境凈化的普遍科學(xué)規(guī)律，進一步開發(fā)新型光化學(xué)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(yīng)范圍，進一步促進學(xué)科的交叉融合。

四

光生物學(xué)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(lǐng)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(xué)成為生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)研究中的一個重要研究領(lǐng)域。光生物學(xué)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(xué)領(lǐng)域的重大基礎(chǔ)科學(xué)問題，書中主要對植物光生物學(xué)相關(guān)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(dāng)前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，綜述該領(lǐng)域研究近30 年來取得的諸多突破性進展。針對目前該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及國家目標(biāo)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(fù)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(yīng)答；⑤植物光能利用與應(yīng)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(xué)科。光致發(fā)光材料不僅在傳統(tǒng)的照明、裝飾和顯示等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，還在諸多新興領(lǐng)域占據(jù)了不可或缺的地位，如熒光標(biāo)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(guān)系到國計民生的重要行業(yè)和領(lǐng)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(dǎo)（AIE）發(fā)光材料、半導(dǎo)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(xué)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(chǔ)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(yīng)用攻關(guān)階段；亟待開發(fā)新型半導(dǎo)體發(fā)光材料和長余輝發(fā)光材料以開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域；聚集誘導(dǎo)（AIE）發(fā)光材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究尚處于起步階段?？傮w來說，我國在光致發(fā)光領(lǐng)域雖然取得了一定的成就，但基礎(chǔ)研究還有深入的空間，應(yīng)用方面還有進一步開發(fā)的潛能?，F(xiàn)階段該領(lǐng)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(chǔ)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(dǎo)材料的設(shè)計和開發(fā)；②開發(fā)新型高效光致發(fā)光材料，開拓新應(yīng)用領(lǐng)域；③發(fā)展規(guī)?；苽洳呗裕档统杀?；④以實際應(yīng)用為導(dǎo)向，設(shè)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(shù)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(xué)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(yīng)（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(jì)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(lǐng)域逐步拓展到前沿光化學(xué)研究和新功能材料應(yīng)用研究領(lǐng)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(lǐng)域的應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用（如生命科學(xué)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(lǐng)域應(yīng)用研究中存在的問題，進一步研究材料光化學(xué)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(xué)的快速發(fā)展，建立更準(zhǔn)確、通用的計算方法和模型，對光致變色分子設(shè)計與性能提供更準(zhǔn)確、高效的預(yù)判。

七

太陽能電池涉及通過光生伏打效應(yīng)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)模化商業(yè)應(yīng)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(xué)和應(yīng)用意義，是當(dāng)前的熱點研究領(lǐng)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(lǐng)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(xué)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(chǔ)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(yīng)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(lǐng)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(chǔ)。為了實現(xiàn)該類電池的大規(guī)模應(yīng)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(yīng)重點突破晶硅電池不能應(yīng)用的柔性電池領(lǐng)域，擴展柔性電池在軍事及特殊民用領(lǐng)域的用途。同時需要加強硅基薄膜電池在實驗室的基礎(chǔ)研究，通過多結(jié)電池技術(shù)和提高襯底陷光等措施使其效率達到16%以上。此外，該領(lǐng)域所需關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)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(guān)鍵設(shè)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(xué)獎授予從事“分子機器”研究的三位科學(xué)家，這種將諾貝爾化學(xué)獎授予一個還處于基礎(chǔ)研究階段的研究領(lǐng)域的情況極其少見，說明了分子機器具有一定潛在的應(yīng)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(lǐng)域顯示出重大的應(yīng)用前景。但是，要使其走入實際應(yīng)用，還需要解決如何提高光化學(xué)反應(yīng)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(lǐng)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(xué)各分支學(xué)科具有鮮明的特色，但各分支學(xué)科同時存在共性的科學(xué)和技術(shù)問題。為了促進光化學(xué)學(xué)科從基礎(chǔ)科學(xué)研究到應(yīng)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(xué)學(xué)科的布局：

（1）加強光化學(xué)各分支學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究工作，以實現(xiàn)基礎(chǔ)科學(xué)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(xué)材料體系的設(shè)計、構(gòu)建及光化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化過程的實現(xiàn)奠定堅實的理論基礎(chǔ)。

（2）在基礎(chǔ)理論指導(dǎo)下，注重光化學(xué)核心材料的源頭創(chuàng)新研究，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵材料體系及其規(guī)?；苽浼夹g(shù)，并制定相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

（3）以市場為導(dǎo)向，與工業(yè)領(lǐng)域交互，加強產(chǎn)學(xué)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(lǐng)域做出實質(zhì)貢獻的產(chǎn)品和技術(shù)，真正造福于國家和人民。

（4）將光化學(xué)學(xué)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(xué)科交叉研究合作交流的機制，促進學(xué)科協(xié)同發(fā)展；此外，要加強光化學(xué)學(xué)科人才培養(yǎng)和人才隊伍結(jié)構(gòu)優(yōu)化，重視基礎(chǔ)科研和工程技術(shù)研究骨干的培養(yǎng)。

本文摘編自中國科學(xué)院編《中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略·光化學(xué)》摘要部分，內(nèi)容略有刪節(jié)改動。

《中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略·光化學(xué)》

中國科學(xué)院　編

責(zé)任編輯：朱萍萍，李麗嬌

北京：科學(xué)出版社，2018.1

ISBN：978-7-03-054740-8

“中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略”叢書是中國科學(xué)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(xué)各學(xué)科領(lǐng)域，是目前規(guī)模最大的學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究項目。

《中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略·光化學(xué)》全書共有八章，內(nèi)容涵蓋有機光化學(xué)、能源光化學(xué)、環(huán)境光化學(xué)、光生物學(xué)、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(xué)科。全書針對各分支學(xué)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(guān)領(lǐng)域的未來發(fā)展提出了相關(guān)戰(zhàn)略建議及措施。

《中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略·光化學(xué)》適合高層次的戰(zhàn)略和管理專家、相關(guān)領(lǐng)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(xué)科發(fā)展規(guī)律、把握前沿領(lǐng)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(xué)學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢的權(quán)威讀本。

（本期責(zé)編：小文）

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