2015 年化學最前沿在研究什麼問題？
更新一下……感覺這個答案有點被打臉的趨勢……當年還是太耐義務了啊……不過拋開Baran近年來越來越無恥的做法之外，有些東西還是得肯定。批判地評價才是最合理的做法。以下是原答案
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謝邀。
直接奔主題了。我做有機合成，我也就對有機合成這個領域拋個磚~需要指出的是，有機合成的目標就是用化學手段合成小分子，可以是人為設計的，也可以是天然產物。離開了合成，我找不到有機化學的意義。因為，為了發展有機化學，有機合成方法和策略的發展是根本。下面入正題。
首先我想說的是，有機合成領域要想知道前沿在做什麼，只要盯著Scripps CA的Phil S. Baran教授看也就一清二楚。可以說，Baran教授一直就活躍在有機化學的最前沿，研究著有機合成最具有挑戰性的一些課題。
課題組鏈接：BaranHome
那麼就來看看Baran教授都有哪些研究興趣：
從他的Research Prospectus（研究計劃，Baran Lab Research）來看，Baran教授關注著有機合成一直以來所追求的目標——理想合成（ideal synthesis）。1975年的這樣一篇JACS文章（Hendrickson, J. B. J. Am. Chem. Soc.1975, 97, 5784.）就提到了，理想合成是為了
「…creates a complex molecule… in a sequence of only construction reactions involving no intermediary refunctionalizations, and leading directly to the target, not only its skeleton but also its correctly placed functionality」
意思就是說，在合成複雜分子過程中，每一步都要有實質性意義，直接奔著最終目標分子，不做中途的重複繁瑣的操作。如果說得確切些，也就是合成的經濟性問題（economies）——原子經濟性（atom economy）、步驟經濟性（step economy）和氧化還原經濟性（redox economy）。我的理解是，有機合成是分子量不斷增加的過程（廢話），每一個引入的片段都應該儘可能地成為最終目標分子結構的一部分。合成步驟當然越短越好（前提要保證效率，太過低效的短步驟有時也是不可取的，所以準確說應該是儘可能短）。而氧化還原經濟性在於分子的官能團化過程則是重要的，也是很難的，即便有機合成發展到今天，你仍然能見到許許多多合成中夾雜著難以避免的反覆氧化/還原過程，其本質跟使用保護基是類似的，因為出現了化學選擇性的問題需要改變相應官能團的氧化態和性質，當然這只是其中一方面的原因，也有為了提高某些反應選擇性而不得不採用的策略問題，等等，這些都是需要在理想合成中避免的，這也就對合成的策略和方法提出了非常高的要求。
除了以上提到的效率問題，當然還有合成通量的問題，也就是說如何提高有機合成的量級（scale）。實際上很多反應在小量如毫克級別是毫無問題的，但是提高到克級別之後，反應就會出現各種問題比如產率下降、副反應增多等等，如果我們不能提高有機合成的量級，這對有機合成的發展顯然是不利的，是高成本的。Baran教授也注重於克級（gram-scale）製備在合成中的體現，這點在現代合成化學家中是很不容易的。
那麼Baran教授怎麼嘗試解決這些問題呢？我想從三個方面來簡單談談我的理解。
1. 合成思想——two-phase synthesis
這個概念最先是在他2009年發表在Nature上關於eudesmane terpenes合成的文章中提出的。（http://www.nature.com/nature/journal/v459/n7248/pdf/nature08043.pdf）
有這麼個圖：
他認為，萜類天然產物的合成經歷兩個階段：cyclase phase和oxidase phase，分別對應環化構建骨架和氧化官能團化構建分子氧化態的兩個重要過程。這個觀點實際上就把合成策略問題變得簡潔了，然而，做起來並不容易。舉個栗子。2014年的時候，Baran教授在JACS上發表了一篇名為Two-Phase Synthesis of (?)-Taxuyunnanine D的文章：
他認為，萜類天然產物的合成經歷兩個階段：cyclase phase和oxidase phase，分別對應環化構建骨架和氧化官能團化構建分子氧化態的兩個重要過程。這個觀點實際上就把合成策略問題變得簡潔了，然而，做起來並不容易。舉個栗子。2014年的時候，Baran教授在JACS上發表了一篇名為Two-Phase Synthesis of (?)-Taxuyunnanine D的文章：
（http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja501782r）
這顯然是對這個概念的實踐對不對？但是實現的過程可沒那麼簡單。第一步是環化構建骨架，這在2012年他的Nature Chemistry文章里已經實現了Scalable enantioselective total synthesis of taxanes：
（http://www.nature.com/nchem/journal/v4/n1/full/nchem.1196.html）
關鍵反應是Diels-Alder反應，一步兩個環，很簡潔高效，難怪是我老闆最喜歡的兩個反應之一（另一個是3,3-sigma重排）。
然而問題來了，第二步氧化官能團化過程怎麼實現？通常很多萜類天然產物是高度氧化官能團化的，這就出現了根本問題——選擇性氧化的問題，這對反應設計的化學選擇性提出了非常高的要求（扯點題外話，Baran教授提出的無保護基合成也就是PGF思想，核心問題就是化學選擇性問題）。那麼Baran教授怎麼做的呢？一個字，篩！具體怎麼篩，大家有機會的可以看看文獻，我就不貼圖了。篩了什麼呢，各種常見的不常見的奇奇怪怪的氧化劑都用了（Baran教授的一大特點，篩條件狂魔），可以想像要在實驗室里實現oxidase phase可真不是件容易的事兒，而Baran教授仍然在不斷嘗試，默默給這樣的真化學家點個贊。
除了這些例子，還有其他很多天然產物的合成中Baran教授都提到了他這個思想，也嘗試去探索這些過程，這一點還是很難得的。
2. C-H functionalization 碳氫鍵官能團化反應
既然1中提到了oxidase phase過程的難題，那麼解決選擇性氧化特別是C-H鍵氧化的問題就是關鍵，這就扯到了現在比較火熱的前沿有機合成方法學研究領域——C-H activation 碳氫鍵活化。這是一個大坑，一兩句話說清楚是很難的。說起這個領域，可能最先想到的同樣是Scripps CA的Yu Jinquan教授，但是Yu教授不做全合成啊，所以應用嘛，看不出來（無意冒犯，請大家輕拍~）。相比之下我更喜歡Baran教授在這領域中的工作，因為他的工作直接應用到合成中，雖然他在應用時並不完全是針對oxidase phase。我舉幾個最接近這一概念的例子吧。
首先是2014年Baran教授發表在JACS上的文章：A Unified Approach to ent-Atisane Diterpenes and Related Alkaloids: Synthesis of (?)-Methyl Atisenoate, (?)-Isoatisine, and the Hetidine Skeleton
這篇文章其實說起來某些方面還是有點「old-fashioned」，其實看過就知道，這篇文章的關鍵反應只不過是一個比較老的人名反應Hofmann?
Lo?ffler?Freytag (HLF) reaction
（wiki鏈接：Hofmann???L??ffler reaction 居然出現了亂碼Orz）
能發到JACS，我看多半也多虧了他的two-phase synthesis這個概念。不過可貴的是，即便是老反應，Baran教授也能用得非常妙，用完之後還要仔細思考總結，並進一步嘗試其他方案試圖實現選擇性的多樣化，這點還是很不容易的，至少他敢做。我本科老闆總是讚歎這才是真正的化學研究。
Synthesis of ent-Kaurane and Beyerane Diterpenoids by Controlled Fragmentations of Overbred Intermediates
還是給大家貼一張小圖吧，取自上面這篇文章：
再來看看另外一個例子，值得一提的是仍然是之前提到的HLF反應，Baran教授這次卻玩兒了點新花樣，實現了C-O鍵而不是通常的C-N鍵的形成。只不過這是一篇2009年的Nature，也就是最開始我貼的那張two-phase synthesis圖的來源。
那麼這篇文章的邏輯是什麼呢？簡單來說就是下面這張圖：
前面提到了oxidase phase在實驗室里實現是不容易的，這篇工作中Baran教授小組就通過努力實現了選擇性氧化，不得不佩服。
前面提到了oxidase phase在實驗室里實現是不容易的，這篇工作中Baran教授小組就通過努力實現了選擇性氧化，不得不佩服。
最後一個例子同樣涉及到C-N鍵的合成，這是Baran教授2012年發表於JACS的文章：
Intermolecular Ritter-Type C?H Amination of Unactivated sp3
Carbons
（鏈接：Intermolecular Ritter-Type C）
當然除了這些之外，Baran在教授也經常在合成中嘗試多種C-H官能團化反應，下面這張圖取自他的Review中：C–H functionalization logic in total synthesis - Chemical Society Reviews (RSC Publishing)
雖然所用的方法種類不多，但是畢竟直接通過C-H官能團化反應來構建相應化學鍵的方式是最直接也最高效的，能將當前這麼熱門的方法和概念運用到合成中當然是很好的，畢竟合成還是要追求效率，要更高，要更快。
簡單粗略地介紹了Baran教授這方面的部分工作，實際上他還有更多精彩的工作，如果感興趣，可以自行查找和閱讀Baran教授的文獻~
3. coupling reactions 偶聯反應
比較典型的是他在過渡金屬催化的氧化偶聯反應以及各種烯烴相關的偶聯反應。
首先要說的是過渡金屬（主要是銅或者鐵等）催化的氧化偶聯反應，偶聯片段一般為羰基化合物（alpha位偶聯）與吲哚（3位偶聯）等。
早在2004年Baran教授剛獨立不久，他就發現：
While oxidative dimerization of enolates is
known, the analogous process with indoles (or metallo-enamines)
is not.
也就是說吲哚和烯醇的氧化偶聯反應其實並沒有被報道過。而在Hapalindole和Fischerindole這類吲哚生物鹼的合成中就有可能涉及這樣的偶聯反應。基於這樣的設想，Baran教授也成功地實現了這類反應的開發和不斷發展，也實現了這些吲哚生物鹼的無保護基合成：
（Direct Coupling of Indoles with Carbonyl Compounds:? Short, Enantioselective, Gram-Scale Synthetic Entry into the Hapalindole and Fischerindole Alkaloid Families）
由此可見這類反應是具有非常高的化學選擇性的，自然在合成中具有了較高的應用價值。而且值得一提的是，較高位阻的反應位點並不影響反應性，這對於合成季碳這類非常難以合成的結構是非常好的方法，看看近年來上海有機所的馬大為研究員前前後後用氧化偶聯做了多少吲哚生物鹼？這類反應真的是好反應。
除此之外，Baran教授還系統研究了烯醇之間的交叉氧化偶聯反應（heterocoupling）
（Intermolecular Enolate Heterocoupling: Scope, Mechanism, and Application）
相比於沒什麼用的自偶聯（homocoupling），交叉偶聯的應用卻非常廣泛。偶聯能得到天然產物中非常常見的1，4-二羰基化合物結構，同樣也能適用於季碳中心的合成，非常棒的反應。而且Baran教授也應用這些反應合成了許多天然產物，足見其應用價值。
除了氧化偶聯以外，Baran教授也研究過烯烴之間的還原偶聯反應：
JACS：A Practical and Catalytic Reductive Olefin Coupling
Nature：http://www.nature.com/nature/journal/v516/n7531/full/nature14006.html
這類反應實際上是很有應用價值的，因為雙鍵是有機合成中非常常見的官能團，如果在合適的條件下實現兩個雙鍵的偶聯，可以省去許多氧化還原和官能團修飾調整來直接實現C-C鍵的形成。
不僅可以分子間反應，也可以分子內反應，這也為Baran教授的cyclase phase的研究提供了有利的工具。當然由於其自由基機理的一些問題，在某些特殊體系這個反應會出現一些問題，但是並不妨礙這一反應的普適性應用。
不僅可以分子間反應，也可以分子內反應，這也為Baran教授的cyclase phase的研究提供了有利的工具。當然由於其自由基機理的一些問題，在某些特殊體系這個反應會出現一些問題，但是並不妨礙這一反應的普適性應用。
除此之外，還有一系列氫胺化反應的研究——也就是雙鍵與含氮片段的偶聯得到胺類化合物的反應：
Science：Practical olefin hydroamination with nitroarenes
生物鹼類天然產物如此繁多，生成C-N鍵的反應方法也有很多，但是直接從雙鍵出發發生氫胺化反應的方法卻並不多見。當然啦，這個方法缺陷在於目前還只能做芳香胺。
此外Baran教授還將類似的反應應用到氫甲基化反應，得到非活化雙鍵形式上加成甲烷的產物：
JACS：Hydromethylation of Unactivated Olefins
總之在偶聯反應的領域，Baran教授也做出了許多非常具有創造性的研究，合成技術的發展是理想合成的基石，如果Baran教授繼續發展這些方法，並用於高效的合成中，那麼合成也就會越來越有美感，越來越實用。
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綜上所述，從Baran教授的研究方向來看，我想有機合成領域最前沿主要還是研究這三方面的問題：
理想合成的探索
高效實用的碳氫鍵官能團化反應的開發和應用
一些高效偶聯反應的研究
以上是我的一點小小的拙見，其中必有許多不足，畢竟我的水平也有限，還需要好好學習一個~
如有問題，還望專業人士指出，我也要好好學習。最後，謝謝閱讀。
附：
關於理想合成與合成經濟性的部分參考文獻
- Newhouse, T.; Baran, P.S.; Hoffmann, R.W. The Economies of Synthesis, Chem. Soc. Rev. 2009, 39, 3010–3021
- Burns, N.Z.; Baran, P.S.; Hoffmann, R.W. Redox Economy in Organic Synthesis, Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 2854 - 2867
對其他幾個化學的子學科不是太熟悉，就分析化學可以說兩句。肯定有不足的地方，各位來補充，我也慢慢補上去。
就我們所知的分類，分析化學是在色譜、光譜、質譜、電分析化學和核譜共振等手段用來分析物質成分結構及相互作用。
色譜：國內做色譜的大牛們就幾個組，你可以分別去看一下。大連化物所張玉奎院士組，包括鄒漢法、張麗華、梁鑫淼、關亞風和許國旺等幾個大牛，他們致力於複雜體系的分離與表徵，做了許多蛋白質組學與代謝組學方面的工作。北京大學劉虎威教授組，他們現在主要的工作是在DART與傳統幾個色譜儀器和質譜儀器的聯用, 現在也在開展脂類組學的研究。南開大學嚴秀平教授組拿了今年的科技二等獎，他們主要的工作是利用先進功能材料（MOF及COF）進行一系列小分子的分離分析，類似的工作是雲南師範大學袁黎明教授，他們主攻方向是先進功能材料對於手性物質的分離分析, 而對於手性物質分離分析世界上比較出名的則是AC的副主編Daniel W. Armstrong和名古屋大學的Yuko Okamoto
。中山大學的李攻科教授，他們也同樣是利用先進功能材料進行了一系列先處理工作。總而言之，如袁黎明教授所言"現在世界上基本上沒有什麼東西是分不開的了", 所以如果只是單純地研究固定相, 肯定不會是前沿課題, 當然如果想賺錢的話, 固定相是個好的研究方向, 像Yuko Okamoto做出來的OD柱, 現在大賽璐公司一根賣上萬, 一直在給Okamoto提成. 所以現在色譜的前沿工作還是集中在複雜體系的分離分析，並應用在組學分析、生命分析及環境突出問題分析（如最近討論很火熱的河流抗生素濃度過高）。另外對於色譜儀器的研究就主要集中在小型化, 多維度以及特定的色譜檢測器.
光譜：國內做光譜的組就多了去了。主要是光譜分類太多，原子光譜、分子光譜、散射光譜、拉曼光譜等。原子光譜的工作還是集中在進樣方式的處理上面，四川大學的侯賢燈課題組做了許多相關的工作, 現在也在將原子光譜的分析工作應用到生命分析的領域中來, 希望能給原子光譜注入一些新活力。高能所的柴之芳院士與清華大學的張新榮教授則表示，以後原子光譜的工作將會因為對金屬組學的研究會有一個大的發展，但好做的金屬組學工作已經都做得差不多了，剩下的金屬組學的工作將會越來越困難，這個從Metallomics的發文量就可以看出來，但這仍然是原子光譜以後研究的主要方向之一。四川大學的段憶翔教授也在激光擊穿光譜（LIBS）也做了大量的研究工作，利用激光將材料表面燒蝕形成等離子態，在等離子態回到基態過程中發射出特定的光譜來鑒定和測量元素的種類和含量高低，同時他們不但將LIBS小型國產化而且還將LIBS和Raman集成到了一台儀器上，在前陣子的儀器展上有展出。廈門大學的王秋泉教授和東北大學的王建華教授也還基於DBD發射光譜做了很漂亮的工作, 王秋泉教授和軍事科學研究院的錢曉紅教授都有熒光成像與ICP-MS定量分析的工作，同時還有廈門大學的杭緯教授在原子發射光譜方面也有很漂亮的工作。分子光譜包括光致發光、電化學發光和化學發光等等，國內許多課題組做了許多非常漂亮的工作，例如南京大學的鞠熀先、朱俊傑和徐靜娟等，他們將分子光譜應用在生命分析中做了很出色的工作。西南大學的黃承志教授則是做了許多光散射分析的工作，生態環境中心在拉曼散射分析上面做了許多研究。北京化工大學的呂超教授和四川大學的呂弋教授在化學發光方面做了不少研究.
質譜：質譜就分成無機質譜和有機質譜兩個方面。國內普遍會把無機質譜歸類到原子光譜裡面，國內做無機質譜比較出色的幾個課題組分別是生態中心江桂斌院士、清華大學張新榮教授、廈門大學王秋泉教授、武漢大學胡斌教授等。基本上他們使用ICPMS研究方向都在環境分析、細胞分析、核酸分析、醫學分析以及組學分析方面。而像國際上比較火熱的新一代流式細胞儀的發明者Scott Tanner則是把同位素標記到細胞表面, 利用ICP-TOF來分析細胞形態, 具體可以搜一下他在Science上發表的文獻. ICPMS的優勢就在於線性範圍寬, 使用同位素稀釋可以無需標線精確定量, 與其他儀器聯用也比較完善, 所以江桂斌院士發表在Angew上面的兩篇ICPMS文章都是關於儀器聯用的, 一篇是凝膠電泳, 一篇是毛細管電泳, 而張新榮教授在Angew上面發表的ICPMS的論文則是同位素標記及同位素稀釋精確定量的核酸分析. Ambient Mass Spectrometry(AMS)是近年來新興的一種質譜分析技術。這類離子源具有無需複雜的樣品前處理、操作方便、快速、實時原位、非破壞性、靈敏度及特異性好等特點，在生物體活體原位研究、反恐及環境保護領域的爆炸物檢測方面具有潛在的應用價值。國內在AMS上面研究的小組有做了很好的研究工作，具體有清華大學張新榮教授做的介質阻擋放電（DBDI）或低溫等離子體（LTP）、東華理工大學的陳煥文教授做的電噴霧萃取電離源（EESI）、中國醫學科學院再帕爾課題組的空氣動力輔助離子源（AFAI）、北京大學劉虎威教授組在DART和其他儀器聯用上面做了大量工作以及四川大學的段憶翔教授做的微波誘導等離子體解吸附/電離離子源（MIPDI）和微型輝光放電等離子體離子源（MFGDP）。
電化學分析: 這個實在不熟, 等其他朋友來補齊了. 電化學分析是湖南大學和長春應化所的強項, 期望他們能有人來補充一下.
核磁共振: 這個也不熟, 課題組有位老師是西南地區的核磁專家, PNAS都發了好多篇文章, 什麼時候給他說一下來補補好了.
謝邀，要不這回咱不談理論化學了，談點能源材料方面的實際應用？
我知道的現在在實驗上比較關心的幾個方向：
首先是異相催化，比如所謂煤變油的費托合成（用CO+H2合成有機小分子），比如合成氨反應，都需要更便宜更有效的異相催化劑。所以現在一元不夠玩二元，二元不夠玩三元，完了界面上擔載點納米顆粒，顆粒內外層還成分不一樣，十分歡樂。
然後是光電化學反應，比如水的光電解（就是用光能和電能把水分解成H2和O2），比如CO2的光化學還原（還原CO2製取小的有機分子），這些說白了其實也是異相催化體系，不過涉及光子和外電勢的參與，稍微複雜一點。在能源領域涉及儲能和能源轉化，不表。
然後是各種新型的太陽能材料，稍微有一點實用精神的就搞一搞CIGS或者CdTe之類的微膜材料（比如最近hybrid perovskite就紅的發紫），再稍微fancy一點的就在結構上動動腦筋，搞點納米柱啦，納米顆粒啦，多孔結構啦之類看看效果會不會好點。再fancy一點的就再半導體上接一點共軛的有機分子，玩一下dye-sensitized solar cell。太陽能電池的逆過程就是發光二極體（LED），也是一個方向，比如前不久拿了諾獎的藍光LED，現在應該還有一堆人在做有機材料的LED，在機械性能上更好，方便摺疊的。
然後是各種電池，我知道的比較火的包括鋰電池和燃料電池。也是不斷地尋找新型的電極和電解液材料，企圖提高效率。
像這幾個都是有實際工業需求導向的，還有一種是實驗室里做出來一種東西，科學家覺得很有趣，然後拚命找實際應用騙經費的。比如有機金屬框架（MOFs）和碳納米管之類的。碳納米管之類我不熟，大家目前為MOF找的應用包括且不限於：CO2吸收材料，H2儲存材料，稀有氣體分離，異相催化劑。當然不能遺忘現在還在火的石墨烯，據說能做電子元件，能做感測器，能做半透膜，能做...我也記不了這麼多了，總之很牛b就是了。哦，好象在石墨烯的帶動下最近二維材料有點火了，比如MoS2，比如BN之類的。
最後，最近好像老有老美找我掰扯釷基融鹽堆的事，應該也是挺火的吧，不過這個好像已經不算化學了。
更新：半夜睡不著拿手機隨便碼的，居然不知道為什麼被頂到前面了，感覺壓力好大。。。本人必須坦承自己其實懂得也不多，下面的論點槽點肯定不少，請保持懷疑批判的精神看，謝謝~
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催化這個和大家關係相當大的方向居然毫無存在感。。。我覺得需要寫點什麼
今年化學口我覺得最爆炸性的新聞就是美國人搞的甲烷直接低溫制乙烯了。甲烷由於活化比較費勁，長期以來大部分都是當燃料燒掉的，乙烯和塑料還是要從石油里來。這個反應打通了的話，甲烷也可以做乙烯的原料氣，這對目前世界化工的格局會有天翻地覆的改變。
除此之外，甲烷制芳烴和甲醇也有人在做。未來20年里天然氣低溫轉化肯定是相當熱的話題，雖然不太好做。
第二個催化界很關心的就是費托合成，這樣可以用天然氣或者煤做原料重新合成油品。目前似乎技術上又有了突破，當然這個領域的研究力度強烈依賴於油價。
第三個問題就是可再生能源制氫，不管是光解水，太陽能電池電解水或者生物質重整都可以。只有用可再生能源便宜地把氫搞出來，才有機會把空氣里的二氧化碳捕集下來重新還原成甲醇或者一氧化碳之類的化工原料，這樣才有可能實現碳的循環利用。
當然了，燃料電池將來肯定還會有更大的發展，相應的的電催化材料研究也會繼續火爆下去。
另外，把傳統工藝中的貴金屬催化劑使用便宜的金屬進行取代也是一個重要的方向。
在催化的原位表徵和機理研究領域，在線(operando)光譜技術和穩態快速同位素交換(SSITKA)應該會在10年內成為標配。除了傳統的紫外可見，拉曼，紅外，NMR之外，原位X射線技術(XANES EXAFS等等)會越來越常用，帶壓力條件下的高分辨電鏡也有希望取得突破和應用。
催化這一塊還是很海闊天空的，不知道為什麼似乎好像沒什麼存在感。希望有更多的聰明人能加入這個行業，讓人類的未來變得更高效更清潔。先按照知乎的規矩，謝謝題主邀請~
本人是做理論電化學的，說清楚一點就是考慮電勢和表面水結構的界面計算。這個領域目前的大牛有Jens Norskov（估計這大牛大家在催化領域計算中都會提到），Timo Jacob， R. Jinnouchi，M.Neurock, Wolfgang Schmickler（理論電化學大牛，有著作《Interfacial Electrochemistry》）, A.B.Anderson。本領域的難題是如何將電極電勢加入到DFT模型中進行計算。另外對於DFT體系如何處理表面水結構以及氫鍵的鍵合（也就是弱van der Waals作用力）也是一個難點。現在儘管有vdW這樣的泛函，但是總歸對於Physical的東西還了解的不是十分清楚。
題主說的化學中「最前沿」問題，這個問題其實可以分成許多方向來講。比如 @謝嘉欣講的是有機化學的， @余曠講的是燃料電池方向（其實我倒是挺希望你講講理論化學這方面的）。但是在這裡我不做「第一手知識的創造者」，而做「知識的搬運工」。我們學習羅輯思維 @羅振宇（羅胖子）的方法，給大家介紹幾本書，希望大家可以從這些書中，找到自己喜歡的答案。
- 《10000個科學難題：化學卷》
哇哈哈。此書集結了中國各個化學領域的大牛們所總結的問題，參考性應該非常好。徐光憲院士還在前言作序並提出了他自己總結的「化學分類方法」。這裡面的科學難題不光可以作為大家茶餘飯後的談資，也可以作為實打實hardcore的科研項目。
- 《X學科前沿與展望》叢書
這一套的書有很多《X學科前言與展望》（X=無機化學，有機化學，分析化學，物理化學，生物化學。。。）。應該和《10000個科學難題》差不多吧，只不過可能針對每個領域更加細化了。當然每冊書的編者都是中國化學現今比較牛的，也很有參考價值。
- 其他「科普性」的專業科學期刊
Nature及其子刊，Science，Cell等。當然不能算「書」了，但是也可以作為資料進行參考。做科研的當做方向參考，不做科研的當做科普讀物看看，也是極好的。
當然，化學的發展歸根結底會向著「更微觀，更宏觀，更複雜」的角度去進行發展，並結合「理論，實驗手段，計算方法」三個方向。展開來說就是：- 更微觀：各種反應的微觀機理，微觀的基元反應，分子動態學的有關的理論、儀器及試驗方法、計算方法的進步。
- 更宏觀：由少數原子構成分子、由多個原子構成cluster，由多個cluster組成super-cluster（不知道是不是這個名詞。。。。），往越來越大的分子尺度去發展，將原來沒有拼接過的pieces進行拼接，（LEGO化學版！）並試圖挖掘它們的應用前景。
- 更複雜：更多的反應通路，更多的相間物質交換（比如生物當中的），更龐大的反應體系。如何對這樣的研究進行定量處理，如何預期這樣體系的性質？
- 當然，然並卵，自己挖的坑還要自己去填。。。。看別人的坑再好也就只能看看罷了。。。。
最後閑扯一句，化學是什麼？"What is Chemistry?"，我覺得絕命毒師中的Walter White第一節化學課講得非常贊「Chemistry is a science of Change.」（化學是一門有關變化的科學）。We are fascinated about changing and knowing how the change happens.
如果再有想到的，到時再進行補充。歡迎大家討論，拍磚~~如何消滅化學學科。
要不上Chem Rev看看?
啊蟹妖。
作為燃料電池汪，我覺得與其說是化學，不如說是化工更為合適。小小觀點，敬請指正。
燃料電池現在期待突破的問題，從科學角度來講，一是如何降低陰極催化劑的成本，現在都是用鉑嘛，太貴了。所以很多人都在研究非鉑或者低鉑催化劑，比如以鉑為殼，非貴金屬為核的核殼催化劑，以及現在非常火的雜原子摻雜碳基催化劑等。有興趣的話可以搜搜gang wu的一系列文章。但是個人認為，相對於非鉑催化劑凄慘的性能和不靠譜的電池表現，鉑基催化劑還是不可替代的。
二是中間那層nafion膜，在杜邦的壟斷下，價格驚人。開發替代品也成了研究重點。然而還沒有開發出綜合性能能和nafion相較的替代品。
除了材料而言，其他配套方面，比如系統的設計，儲氫的方式也有很多需要考慮的。我不太懂就不瞎扯了。
從其他方面講，貌似國家對燃料電池支持的力度不大了，拿錢比較艱難。不過我們隔壁組在院士的帶領下照樣嘩嘩拿錢拿項目咯???院士爺爺很萌噠，博士期間得到過他的指導，真的是脾氣很好的一位大牛☆*:.?. o(≧▽≦)o .?.:*☆我是來反駁Whitesides教授的那篇 Reinventing Chemistry（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3196 – 3209）的。兩位答主（ @王吧@犢子完 ）在答案中提到了這篇文章及其中內容，在另一個問題中，知乎化學大V @成楚暘也提到過這篇文章，也一併邀請討論。
我從上到下仔細閱讀了所有答案，有幾個蠻好的回答，但是都是集中在化學的某一個領域內的前沿進展，如能源化學、有機化學、分析化學等。相比較而言，這篇文章 Reinventing chemistry 倒還真是對整個化學學科（Chemistry）發展的展望與思考。在這篇文章的主要部分中，以What"s next？（接下來做什麼？）為題，Whitesides教授列出了24類新的難題（New Classes of Problems）：
圖1. 化學中24類新的難題（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3196 – 3209）
表中所列，都是名副其實的大科學問題。但是，對這篇文章卻有非常多的不同意見，甚至也有其他化學的大佬對這篇文章提出了不同看法。爭議的核心，在我看來，其實是對化學在這些問題的解決中扮演什麼地位有不一樣的看法。這篇文章有意拔高了化學在解決這些問題中能起到的作用，從而使得這篇文章顯得空洞而脫離實際。
下面我們來逐條說明：
難題1：生命的分子基礎是什麼？生命是如何起源的？（What is the molecular basis of life, and how did life originate?）
雖然化學在解決這兩個難題中必然十分重要，但是這二者本質上仍然是生命科學問題。可以預見，解決這兩個問題的主力仍然會是生物學家（譬如分子生物學者和生物物理學者）。我甚至覺得化學在這個問題中的作用不太會超過物理。物理可以提供更加靈敏的觀測工具，如超分辨光學顯微鏡，3維電鏡，單分子成像，超高分辨的核磁、質譜等，而這些觀測手段的進步會促使生命科學的巨大飛躍。當然，化學家的貢獻也是不可忽視的，在這兩個問題上，化學學者能做的大概有：從合成生物學角度切入，逆向解決生命起源的問題；發明更好更強大的分離分析手段，給後續成像、電鏡、單晶衍射等測試提供更好的樣品；從反應動力學入手，研究生命過程中化學反應的機理問題；發明/合成更好的化學探針，給熒光成像等結構生物學研究提供更好的工具……
圖 2. 左：熒游標記了內部結構的細胞。右：反應組學（「interactome」）線圖，圖中的點表示蛋白質，線表示蛋白之間的反應。（
難題2：大腦是如何思考的？（ How does the brain think?）
這個更加是一個生物學問題了，或者更具體一些，神經生物學問題。在神經生物學中有很多重要的研究工具與手段，除了一些分子生物學方法外，最有效的工具便是功能性核磁共振（fMRI）和微電極。核磁共振的優點是一種非侵入式的檢測手段，可以很方便的開展大腦的結構功能研究。至於現存問題嘛，現有的fMRI是利用血氧水平依賴（blood oxygen-level dependent, BOLD）進行監測的，因而時間與空間解析度都不太高。微電極倒是可以做到很好的時間空間解析度，但是其局限性是其侵入性（要打開腦殼插入相應腦區），因此現有的實驗多是在黑猩猩等動物身上完成的。微電極當然也可以做成非侵入式的陣列（剃掉頭髮，貼在頭皮外面），但是靈敏度和準確性又都會打折扣。化學家在此領域裡面能做的有：合成新的核磁成像探針（造影劑，agent）；製備良好靈敏度和選擇性的微電極；研究神經通路中涉及到的化學反應……
圖3. A：嬰猴，B：狨，C：夜猴，D：獼猴，E：人類的大腦同源網路結構（擴散核磁共振成像，
難題3：耗散系統。海洋和大氣，新陳代謝，火焰。（ Dissipative systems. Oceans and atmosphere, metabolism,
flames.）
耗散系統是需要外來補充能源的系統。Whitesides教授舉了三個層面的例子：海洋和大氣是非常巨大的宏觀系統，屬於地球科學研究的範疇；新陳代謝又是一個生命科學問題；火焰就更為有趣了，燃燒本質上是一個化學反應，但是火焰往往會涉及到物質的第四態——等離子態，而這不是通常化學所研究的範圍。個人認為，在海洋和大氣科學研究中，化學能起到的作用會是非常有限的，畢竟洋流，季風，天氣等現象主要是物理變化。新陳代謝主要的研究驅動力仍然會是生物學家，雖然現在也已經有很多分析化學工作者開展了很多代謝組學（metabonomics）的研究工作（主要集中在色譜、質譜等）。火焰和燃燒反應主要會是物理系的人在做，因為這一塊兒的研究會用到相當的物理和數學。這三個層面的耗散系統都不是處於穩態（homeostasis）的，所以研究這些過程會用到相當多的非線性數學/混沌數學。所以，也需要數學工作者開發出有力的工具來研究這些高度動態（dynamic）的過程。
圖4. 凡比亞颱風（來源於網路，侵刪）
圖4. 凡比亞颱風（來源於網路，侵刪）
難題4：水，和其在生命與社會中的獨特作用。（Water, and its unique role in life and society.）
水的性質是非常複雜的，也是直到現在都未能完全研究清楚的。有關水在微觀層面的研究，個人認為會從兩個方面展開：一是以計算化學為核心的理論研究；二是以原子力顯微鏡（AFM）、電鏡等表徵手段（尤其是原位表徵）的實驗研究。其前者是化學與物理和計算機的交叉，後者主要是物理系和電子系（搞儀器的）的事情。至於水在社會中的意義，這是一個社會學問題吧，會涉及到經濟學、政治、公共政策、城市規劃、環境科學。。。化學家嘛，最多也就是發明些污水處理方法，幫助緩解下環境壓力。
難題5：理性的藥物設計。（Rational drug design.）
這應該是我們碰到的第一個化學可以佔比較主導地位的問題，藥物設計歸根到底還是要靠有機合成的。現有的藥物設計大部分是基於高通量篩選，即有機化學家先合成一大堆潛在的有效藥物分子（成千上萬個），然後藥學工作者拿這些化合物挨個去試（細胞實驗），看其中哪個有較好的藥物活性。其中藥效較好的再逐步拿去做臨床實驗（一二三四期），直至被批准上市。顯然這是低效率且浪費大量資源的（不是理性設計），這也是世界幾大藥物公司投資數十上百億美金在研發上的原因。現在，計算化學越來越多的被用於藥物活性預測（如計算官能團和結構的改變如何影響藥物分子和靶點的結合），並且催生了一門新的學科——組合化學（combinatorial chemistry），使得藥物的合成變得更加有效。但是時至今日，完全的藥物理性設計仍然是非常遙遠的夢想。
圖5. 組合化學用於高通量藥物篩選（來源於網路，侵刪）
難題6：信息：從細胞，和公共健康，到特大城市，和全球監控。（Information: from the cell, and public health, to
megacities, and global monitoring.）
這個問題同樣是分為兩個層面：對細胞信息的研究仍然是個不折不扣的生命科學問題；而後三者按照Whitesides的描述，是和公共政策，社會學和信息學更為相關（Whitesides原文的一大段文字我看了幾遍都沒能get後三項到底和化學有什麼本質的聯繫）。另外說一個，在Whiteside的這篇文章里，特大城市（megacity）的定義是人口超過5000萬（50 million），按照這個指標，現在的世界上還沒有megacity（東京城市圈3500萬，上海2500萬，北京2150萬，廣州1300萬，紐約不到1000萬）。
圖6. 上海外灘
難題7：衛生保健與降低成本：是「生命終結」還是「健康生活」？（Healthcare and cost reduction: 「End-of-life」 or
「healthy life」?）
這個問題真心不懂了，衛生保健怎麼看都是個醫學問題吧？最多還算是公共政策問題吧？化學家在這裡能做的，充其量也就是設計個化學/生物感測器什麼的，用於診斷和醫療吧（我就是做這個方向的我會亂說？）？
圖6. 上轉換納米粒子用於活體中鈣離子的檢測（
難題8：微生物組和其它健康中的隱藏變數。（The microbiome and other hidden variables in health.）
第一次聽說microbiome 這個詞，但根據Whitesides的描述，應該可以斷定是個不折不扣的生物/醫學問題。
難題9：環境不穩定，二氧化碳，太陽和人類活動。（Climate instability, CO2, the sun, and human activity.）
這個問題面太大了，是地球科學問題，全球政策問題，能源結構問題。。。對於這麼大而宏觀的問題，化學家是沒有多少發言權的。
難題10：能源產生、運輸、使用、儲存和轉化。（Energy generation, transportation, use, storage, and
conservation.）
這其實是一個和化學高度相關的問題，但是Whitesides對這個問題的描述把化學拔得過高了。能源的形式有很多種，火力發電，水利，核能，風能，太陽能，氫能源。。。其中和化學真正有關的其實只有氫能（太陽能算半個），現在研究比較熱門的有光催化制氫和儲氫，這兩個領域文章都一大把，但是實際應用都不多（或者說沒有。。）。別的研究煤轉油的費托合成，C1化學和生物質能源的算是比較實用的。其它還有電池這一塊產業其實是高度發展的，比如特斯拉電動汽車。但是說真的，這些東西只是大的能源結構的一小部分。現在國際上看好的未來清潔能源，還是核能。
圖7. 核電站（來源網路，侵刪）
難題11：催化（尤其是異相和生物催化）。（Catalysis (especially heterogeneous and biological
catalysis)）
這個不多說，真的是化學的傳統自留地。有機不對稱催化之類的方向是現在的研究熱點，這些前面答主已經回答的很好了。
難題12：真實、大尺度系統的計算與模擬。（Computation and simulation of real, large-scale
systems.）
計算化學領域的問題，的確很重要。但這塊同時也是化學、物理、計算機專業的交叉，說不好未來的突破是從哪一方面進行的。在我看來，從物理模型、計算機演算法、硬體提升等方面提升的可能性會比較大。
難題13：不可能的材料。（Impossible materials.）
材料科學——熱門領域。研究這一塊的科研工作者分散在各大化學系、物理系和材料系。如Whitesides在文章中提到的高溫超導體，主要是物理系的人在做。化學系做的東西雖然也有好東西，但是往往沒有那麼高大上（不是自卑，是客觀事實），國內很多課題組都在搞石墨烯之類的材料，炒作下概念，發發水文章。
圖8. 有自組織傳導通路的彈性納米顆粒導體（
難題14：行星的化學：我們在宇宙中是孤獨的嗎，生命在宇宙中是廣泛存在的嗎？（ The chemistry of the planets: Are we alone, or is life
everywhere?）
這門學科貌似叫做空間化學，歐陽自遠院士是國內這一領域的開創者。我幾年前看過歐陽院士的科普著作，這個領域其實主要還是依靠光譜手段來探測星際物質，還有就是發射耗資幾十上百億美元的探測器去火星、彗星、小行星上近距離觀測、著陸甚至採集樣品。也就是說，這一領域雖然冠名以化學，但是研究方法卻和常規的化學相去甚遠。而且，「我們在宇宙中是孤獨的嗎，生命在宇宙中是廣泛存在的嗎？」這兩個問題也遠非只靠空間化學能夠獨立解決的。不過，我倒是很喜歡這一極富理想主義的學科領域：我們的征途是——星辰大海！希望以後有人能夠把化學實驗做上太空～～
圖9. 人類飛行器首次近距離飛過冥王星（NASA）
難題15：增強人類。（Augmenting humans.）
不得不說，這是一個非常有趣的話題。在不遠的將來（也許會非常近！！）也許會出現終結者一樣的機器人或者半人半機械人。增強人類會涉及到非常多的學科領域，如：仿生學、工程學、計算機科學、化學等。但我覺得，這一方面不太會從化學領域產生突破。現在人工機械手，腦-機界面，意念操控等等方面都有很大的突破，在TED上就能找到很多讓人震驚的逆天科技視頻，還有今年年初發布的Holo Lens等等。。這是一個高度活躍的領域，但遺憾的是，至今為止，我仍然沒有看到化學家對這個領域有什麼巨大貢獻。
圖10. 猴子意念操控機械手（圖片來源於網路，侵刪）
難題16：開啟新科學領域的分析技術。（Analytical techniques that open new areas of science.）
作為分析化學博士研究生，對於拔高新分析技術研究的重要性是完全贊同的，但是，我卻並不認為未來還會有很多能「開啟新科學領域的分析技術」。而且從歷史經驗來看，新分析技術的提出往往是靠學物理的人推動的。遠的，核磁啦質譜啦拉曼啦……都是物理學家率先研究的。近的去年獲得諾貝爾化學獎的超分辨熒光顯微鏡，三位獲獎者都是物理學家。和諾獎擦肩而過的庄小威也是物理系畢業的（本科中科大物理系，博士加州伯克利物理系）。
圖11. 超分辨熒光成像技術展示出神經元令人驚嘆的複雜細節（
難題17. 衝突和國家安全。（Conflict and national security.）
主要是政治問題吧。化學家在這個問題中我能夠想到的貢獻，大概只有搞搞炸藥的感測器了吧？但和解決國際衝突，平息國際恐怖主義勢力這盤大棋相比，咳咳，化學家還是不要操聯合國秘書長和美國總統的心了。
難題18. 全社會的技術利益分配：簡約技術。（Distributing the benefits of technology across societies:
frugal technology.）
這個問題討論了如何將科學技術轉化為生產力，並且將科技進步帶來的利益盡量多的造福全社會。化學只是科學技術的一部分，化學家們還是竭盡所能做的更好吧。科技進步和社會利益的關係其實非常複雜而微妙，需要所有學科的科學家們都共同努力。
難題19. 人和機器：機器人。（Humans and machines: robotics.）
這是另一個高度活躍的研究領域，近年來有很多令人振奮的新成果。TED上有很多讓人驚嘆的視頻，像可以表達精細面部表情的類人機器人啦，可以雙足穩定行走的機器人啦，還有就是各種全地形機器人啦……而化學家在這一領域裡主要還是扮演助攻的身份，所做的領域往往處於學科的非常上游，對該學科的直接推動力有限。
圖12. 四足全地形機器人「大狗」（圖片來源於網路，侵刪）
難題20. 死亡。（Death.）
。。。這個問題太難了，一半是生命科學的終極問題，另一半是哲學問題。。。讓我思考下人生先～
難題21. 控制全球人口（Controlling the global population.）
又是一個大問題，但是主要還是經濟學和社會學問題。化學家能做的，大概是發明出更好更安全的避孕藥吧？
圖13. 避孕藥（圖片來源於網路搜索，非廣告，侵刪）
圖13. 避孕藥（圖片來源於網路搜索，非廣告，侵刪）
難題22. 連接人腦思考和電腦「思考」（Combining human thinking and computer 「thinking.」）
這個問題和難題15.增強人類有重疊，可能是腦-機界面問題太過重要，所以單獨拿出來說。這一塊現在有搞電子/計算機的人在做，有搞生物/醫學的人在做，但是目前還真沒見過搞化學的在做這個的。大腦思考是由化學信號（突觸間）和電信號（軸突上傳導）共同作用的，現在的工作都是集中在電信號上，從化學信號入手也許還真的是一個很好的方向。
難題23. 所有其它：職業，全球化，全球競爭，和大數據。（All the rest: jobs, globalization, international competition,
and big data.）
職業，全球化，全球競爭其實算是老生常談了，大數據是最近火起來的概念。但這些是所有學科都面臨的挑戰，化學只是其中一小部分。
難題24. 和相鄰學科的結合。（Combinations with adjacent fields.）
學科交叉已經是人盡皆知的了，提這個東西也是夠沒意思。大家都知道要做學科交叉，問題是如何交叉出新的東西，這句話其實和「要好好做實驗哦～」一樣，僅相當于于雞湯式的鼓勵，沒有提供什麼實質性的幫助。
圖14. 其實，最牛逼的科學是化學，因為我們是
歡迎大家關注我的微信訂閱號，微信號：gilbert_qu
http://weixin.qq.com/r/DES4oMLE8Z_OrYbD9xEe (二維碼自動識別)
謝謝邀請。
這個問題我關注了很久了，一直坐在小板凳上在遠處看著大家回答問題。長者說得好，悶聲發大財。化學領域這麼大，知乎上估計沒有哪個大牛能把2015年最前沿的成果說的清楚。能有這個實力的，帖子都發去JACS灌水了。
所以我估摸著，這個問題是醬嬸的：回答中提到哪個方向，其實就是自己接觸的方向。
所以機智的我主動把所有答案瞄了一眼，大概誰是幹嘛的就清楚了。
所以機智的我一直默默看著大家回答。
@余曠 以前的答案都是理論化學領域。我以前經常像個傻逼一樣噴他。不過結果總是好的，現在不發理論化學了，也不老中文英文混著說了，也不通篇都是英文縮寫了，贊一個。
@謝嘉欣 的答案是目前贊最多的。可是怎麼看怎麼像是老闆安排寫的reading report啊。
吐槽完了回到這個問題上。
化學細分的領域太多了，所以我沒能力，也不想全面的回答這個問題。我就把我自己的領域搗鼓搗鼓吧。我這個領域比較小眾，也希望更多的人關注，更多學弟學妹們加入進來。打個廣告，我這個領域是科學界女性比例最高的，學弟們看著辦吧。
我研究放射藥學（化學）。
思路大概是這樣的。
A：放射性同位素生產--同位素分離純化--無機化學性質研究--
B：有機配體合成--
C：配位化學--生物大分子耦合--藥物的生物評價
總共有三條線。A是把穩定同位素通過加速器或者反應堆，變成放射性的同位素，再把同位素分離出來，同時需要研究這個同位素的溶液化學性質，氧化態啊，溶解性啊等等。
B是有機合成做一個籠子狀的配體，把同位素裝進籠子里讓他別亂跑。
C是配位之後，把配體連著同位素，接到生物大分子。檢測生成的整體分子的穩定性，再打到動物體內看看靶向作用好不好。
三條線清楚了，我來說說每條線都有什麼大的突破。
同位素生產是基礎。只有先把同位素生產做的很便宜很穩定，其他人才會去研究該同位素的性質和配體，這種同位素才有可能被廣泛使用。
目前最廣泛使用的，有機上有F-18，無機有Ga-68。
最前沿的問題有：
1，快速生成。這兩種同位素的半衰期都很短，如果生產分離純化時間很長，就沒有生產的意義了。等分離好待用，就已經沒剩多少劑量了。
2，機器化操作。同位素都會衰減，所以在生產出來的時候都要有很高的劑量，才能保證到了使用的時候仍然足以達到效果。
3，高的specific activity。舉個例子，F的同位素生產，F-18就是有效的，有放射性的同位素。而F-19就是穩定同位素。如果生產出來的F，其中F-18的比例越高，specific activity就越高。
有機合成配體。
有機合成是化學基本技術，在放射領域，最前沿的是這些問題：
1，水溶性的控制。水溶性好的分子，合成的時候不好處理。但是最後的配位是在水裡發生，所以要求配體一定是水溶性非常好的。
2，大小，尺度的控制。太大的話，配位會不穩定。太小，會影響生物大分子的活性。
3，配位元素。常用的N，S，P都有。
總體來說，這一部分是比較簡單的。
生物評價。
這一部分成本很大。最前沿的問題有這些。
1，生物半衰期。最好的情況是，所選擇的同位素和生物大分子有相近的半衰期，這樣能夠使藥物的作用發揮出來，也不會造成資源浪費和環境污染。
2，生物有機反應。配體結合了同位素後，怎麼將配體和生物大分子有效的結合起來。Click chemistry在這裡有很好的應用。
3，生物大分子活性的保持。連上了同位素後，同位素不停的在釋放射線，這些射線粒子會對生物分子的環境造成很大影響，怎麼樣穩定他的活性也是問題。
4，生物大分子的篩選。至於什麼樣的生物分子有什麼樣的靶向作用，在體內參與什麼樣的生物活動，就是生物學家的事了。
我做砷，實驗室經常一瓶瓶的化學純砒霜再用。很好，我還嫌不夠毒，還要去招惹放射性的砷。非常好。
所以反應堆和砷負責毒。
另一方面，我自己做的配體是硫配位的，因為砷喜歡硫。所以實驗室里一堆硫醇。有時候一個分子上好幾個硫。大家知道屎是什麼味道么，和硫醇相比，屎真的很好聞。
所以S負責臭。
就這樣，有空再更新。
配位化合物很熱門。我做稀土有機配合物的。
如何離開這個行業/如何跳槽/如何轉專業
這兩天參加學校這邊舉行的一個 commercialisation bootcamp。 這是個什麼鬼呢？就是教你怎麼把你的研究產業化的一個交流會。很多來自不同專業的學生相互交流，然後分組給出一個商業計劃書，只有一個周末時間，然而並沒有什麼卵用。不過了解了如何能實現商業化的步驟。
本人在澳洲某個所謂的「三流野雞大學（孟非爺爺說的）」的化學系做博士研究。本人是選礦背景畢業的本科生，被老闆慧（yan）眼（xia）識中，開始入了有機的坑。我的老闆研究的主要是合成，在有機方向比較前沿的。。也不知道是不是前沿，總之我周圍的博士都在做下面一些研究：
1.selfhealing，就是自愈材料的合成，比如說，你的iphone屏幕裂了，拿光照下或者稍微加熱下，表面的裂痕就回復了，這裡涉及的主要知識就是在這些屏幕或者汽車表面覆蓋一層有機合成分子，當表面出現裂痕的時候，通過光催化，大分子的鍵會斷裂，變成單體，然後單體可以流動，再通過不同波長的光照，當單體填充了裂痕之後，重新聚合。裂痕修復。。。。
2. self assembling， 自組裝，這種一般是合成一些分子，分子兩段分別有親水基團和疏水集團，這樣的單體聚合成的大分子可以由於親水性和疏水性自己形成球狀（或者其他形狀），這些球可以用來drug delivering。
3.生物質能的應用，主要是植物中的木素和纖維的利用，這裡分幾個方向，一種是做納米纖維，這些納米纖維可以用來做濾紙或者疏水的包裝材料。或者納米碳纖維，就是把這些材料高溫碳化，再做到納米粒級，這樣製造出來的納米碳纖維或者納米碳材料的強度非常高，性能好。另一個方向就是降解這些生物大分子，去製造一些精細化工產品，或者後續重聚去製造一些生物質塑料。
4.蛋白質的分離，這一部分主要是合成一些有特定基團的有機分子，可以識別特定的蛋白質官能團，從來達到分離的目的。
5. 還有電化學方向的，最近學校里拿到一個很大的fund，很多很多學校不同的課題組都在做，就是利用太陽能電解水得到氫氣和氧氣的。我們院有個老闆的大部分學生都在做這個。
6. 還有納米材料，各種納米材料，有製作納米電極去電極改性來提升電解性能的，有研究納米材料去做分子篩的，各種納米。。一直是前沿。。
7. 還有一種最近研究的比較多的是離子液，所謂的離子液就是一種穩定存在的液態鹽，液態離子的穩定度比較高，並且有可以承受相當的溫度。目前有很多應用，比如做生物質的溶劑，或者做電池裡面的電解液等等。。
大概就是這麼多。。。其他的就布吉島啦總之有機化學是個坑。。毒的要死。。。
生物問題
這個學科瓶頸了，所以化學家們一窩蜂的涌去研究那些好忽悠人的（比如生物製藥等交叉學科），概念熱門的（比如石墨烯，鈣鈦礦）
不過從工業角度看，這裡面90%是無用功
真正意義的突破幾乎沒有
當年碳納米管剛出來的時候，恐怕60%的人都跑去做碳納米管，做了幾年毫無進展，然後石墨烯橫空出世，於是這些人又一股腦兒轉戰石墨烯，不知明年諾獎是什麼，再來個類似的，大部隊恐怕還要跟著轉
又比如前兩年去參加了一個什麼年會，期間展板看下來，10個板子里9個在做微球，大都號稱是做藥物遞送，還大部分是做刺激響應的……我就呵呵了，製藥領域瓶頸比化學還厲害，人家大公司一個個掙扎在生存邊緣，化學這邊倒一個個號稱這個突破那個突破
從全局看一眼，就會覺得這個局面真是非常之搞笑的我說一說鋰離子電池方向的吧，鋰離子電池方向現在個人感覺如何增加硅材料的實際應用還是比較靠譜的實際問題，正極材料仍然是沒有什麼實際進展，反倒是工業界對正極材料性能的提高，取得了一些成績。現在人們更多的是關心於下一代電池，畢竟問題多，可以研究的也多。鋰氧已經到了一個瓶頸，雖說現在性能越做越好，但是挖掘出的問題也越來越多.鋰硫電池達到了一個空前的熱度，畢竟大容量對人們的吸引太大！鈉離子電池最近幾年異常的火，不過今年開始已經熱度下降，但是過些年與鋰電的差異我相信會做的非常小～
如何把計算分子性質的機器提速 10 倍。
大部分化學在試圖解決生物問題，可大部分的化學教授對生物一無所知
啊 我都畢業這麼久了 前沿怎麼還是這些……
生物和材料
分析化學，努力想辦法檢測到單個分子or單個納米顆粒or單個細胞的各種性質。
然而感覺很多文章的Introduction都講不清到底測這些幹嘛，我也還沒想清楚，，，或者就像物理的發展一樣，化學研究的目標就是追求在微觀水平上理解最小起作用單元的原理，完善之前建立的宏觀理論，進一步推動學科的發展么？
有沒有同學可以指教下，，，推薦閱讀：