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带你走进磷的世界

2007-02-05 来源:光明日报 作者:中国科学院院士 赵玉芬 我有话说


赵玉芬,1971年毕业于我国台湾新竹清华大学,后考取美国纽约州立大学石溪分校留学深造,1975年获化学博士学位并开始从事博士后研究工作。1979年中国改革开放初期,赵玉芬毅然回到祖国,先后在中国科学院和清华大学工作、任教和从事有关化学生物学与生命起源和有机磷方面的科学研究,曾任清华大学生命科学院副院长,生命有机磷化学与化学生物学教育部重点实验室主任,1991年当选为中国科学院院士。2000年底,赵玉芬来到厦门大学任教和从事研究工作。

揭开磷的神秘面纱

磷是什么?可能有好多人都不是太了解,但说起鬼火,却是家喻户晓。以前,晚上没有人敢在坟地里走,即使很胆大的人也有所顾忌。在一片漆黑的坟地里,微弱的火光忽隐忽现,还飘飘悠悠,忽而在这,忽而在那,让人毛骨悚然,不寒而栗。以前的人不知其成因,而且鬼火多在坟场和荒郊野外出现,人们就把它称为“鬼火”。其实这就是磷在作怪,磷有在空气中自燃的特性,人体骨骼中和动植物尸体内都有丰富的磷,与空气接触,发生自燃就产生了磷光。

磷是在1669年,由德国Hen-ning Brand在炼金过程中意外发现的。他把尿与砂、木炭、石灰混合,加热蒸馏,未能得到黄金,却得到一种白色质软的东西,这就是磷。磷在地壳中含量为0.12%,含量比较丰富。

生命起源问题是当今世界的科学难题和研究热点之一,生命起源于蛋白质和核酸,蛋白质和核酸又是如何形成的呢?是先有蛋白质还是先有核酸?这就是先有鸡还是先有蛋的千古之谜。我国科学家用大量的实验结果证明:氨基酸和磷的化合物――磷酰化氨基酸是生命起源的种子,磷酰化氨基酸可以定向组装成多肽、多核苷酸,并能形成生物膜,据此进一步可以形成一个生命进化的最小系统。这项研究成果不只为核酸蛋白质起源提出了实验的依据,并将在生物工程、基因治疗等方面有着巨大的应用前景,因此磷化学与生命起源学说有着密切关系。

磷与人类生活密切相关

磷元素是植物必需的大量元素之一,在植物生长发育和新陈代谢起着极其重要的作用,而土壤缺磷已成为我国乃至世界农业生产发展最重要的限制因素,世界缺磷的土地占43%,而磷矿资源缺乏相应的替代品种,目前全球可供经济开采的磷矿资源仅仅只够使用50年左右,人类正面临着严峻的磷资源枯竭的挑战。然而目前磷肥的利用率仅为10-25%,其余部分主要被转化成难以被植物吸收的磷酸盐,致使土壤中的总磷平均约为有效磷的100-600倍,就磷营养而言,增施磷肥以大幅度提高作物产量不仅浪费资源,降低磷肥的利用率,且带来环境问题。因此如何提高作物自身潜力充分利用土壤磷成为科学家关注的焦点。

磷与人类的日常生活、工业发展也密不可分,已经渗透到人类生活的方方面面。经过100多年的发展,磷工业在现代化学工业中占据相当重要的地位和作用。目前全世界生产的无机磷化合物达300种以上,全世界磷酸盐的年产能力超过2700万吨,并以年均近2%的速率增长。

磷化合物也是水处理剂中的一大类化合物,目前全世界每年水处理剂就有30亿美元的销售额,主要用在城市供排水、工业废水、工业冷却水、锅炉水、油田水等领域,我国是个缺水国家,日趋严重的水污染如同雪上加霜。要使本来有限的水资源能够循环使用,造福人类,磷化合物将挑起重担,在这一领域将有新的进展。

在水质较硬的地区,如我国,无磷洗涤剂洗涤效果差,需使用更多的表面活性剂,又造成其他污染,反而不如使用含磷洗涤剂,而且磷酸盐还易于回收,在污水排放前加强磷的回收处理,既避免磷资源的浪费,又可避免水体富营养化问题。如今,许多原本禁磷的发达国家已经意识到这些问题,有些国家如德国又开始复磷,允许在洗涤剂中添加一定量的含磷化合物。

在金属的磷化处理中最常见的是钢铁的磷化处理,在种种金属的预处理方法中,磷化处理是最为广泛采用的方法。如果埃菲尔铁塔不经过防腐处理,这座由7000吨钢建成的世界奇观,将会在几个月内变成一堆废铜烂铁。在中国,由于金属腐蚀造成的经济损失每年高达300亿元以上,占国民生产总值的4%。这是磷工业大展身手的地方。

磷酸盐的诸多优异性能使其在很多领域中具有广阔的应用前景,但是相对于传统的普通硅酸盐等材料,磷酸盐的应用在国内尚属起步阶段,迅速开展水泥、耐火材料、军事工程方面的应用工作势在必行。

国际磷化学大会将在我国举行

近10年来,世界磷化工格局发生了很大的变化,一些大公司大企业兼并重组,对产品结构和布局进行调整,注重精细磷化工的研究开发,增强企业核心竞争能力,向着国际化、大型化、精细化和专用化的方向发展。此外,全球磷系催化剂、含磷药物及其中间体、农用化学品、表面活性剂和增塑剂等领域正加强研究和开发,品种不断创新。随着磷化工的发展,工艺技术的改进,磷化合物在实际生活中的应用不断拓宽。

经过50多年的建设和发展,我国已形成了一批磷化工骨干企业,这些企业大部分集中在云、贵、川、鄂等磷资源比较丰富和上海、天津、江苏、浙江等靠近外贸出口市场而技术力量又相对较强的地区。我国磷化工企业有500多家,年生产能力在700万吨以上,年产量超过400万吨,可生产80多个品种、100多种规格磷化合物,磷化工产品出口创汇,在国民经济中占有重要地位。进入21世纪以来,随着科技的进步,中国磷化工工将进入一个绝佳的发展时期。应该瞄准当今国际上涌现出来的磷化工新技术,特别是制约磷化工发展的关键技术,采用自主开发和积极引进相结合,为我所用,使我国磷工业向大型化、自动化、集约化方向发展。

为了大力提升我国磷化学研究在国际上的地位,厦门大学申请并已成功获得第17届国际磷化学大会的举办权,该大会将于今年4月在厦门大学举行。国际磷化学大会是IU-PAC系列会议之一,每三年举行一次。我国是继日本仙台成功举办第15届大会后,第二个获得这一国际学术大会举办权的亚洲国家。这次会议计划邀请400余位海内外专家出席,主题将讨论磷化学在生命和材料科学方面的理论及应用,包括磷化学在无机、有机、高分子、医药、材料、环境、生物技术等领域的应用,进行各种形式的学术交流,此外,大会还将探讨最新磷化学科研成果的转化问题,我们期待着与科研院校和产业界同仁的这次聚会。

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