分子

分子（molecule^[2]）是两个或多个原子通过直接相邻的原子（或离子）之间的强烈的相互作用力（即化学键）结合在一起而构成的电中性基团。^[4][5]在不同的领域中，分子的定义也会有一点差异：在热学中，构成物质的分子（如有机物）、原子（如金属）、离子（如盐类）等在微粒做热运动时遵从相同的规律，因此，都统称为分子；^[22][23]在气体动力学理论中，分子是指任何构成气体的粒子，此定义下，单原子的稀有气体也可视为是分子。而在量子物理学、有机化学和生物化学中，分子通常用于多原子离子。^[24]

分子中的原子的结合呈现出一定的规律，构成分子的原子种类、数目及空间构型不同，分子的性质也就不同。原子在空间的排列方式就是分子结构，根据原子间相互作用的方式不同，化学键可分为离子键、共价键和金属键，^[5]通过非共价相互作用（例如氢键或离子键）连接的原子和配合物通常不被视为单分子。^[25]

宏观物体之间的相互作用除引力外，其他接触性的相互作用如弹力、摩擦力等都可以归结到分子这一层次。^[26]分子可根据其构成原子的数量（原子数）分为单原子分子（如氦、氖nǎi、氩yà），双原子分子（如氢、氧、一氧化碳）、多原子分子（如乙炔、丙烷wán）等。^[27]

现代对分子性质及其键的研究始于 17 世纪。罗伯特·波义耳（Robert Boyle）、^[28]阿梅迪奥·阿伏加德罗（Amedeo Avogadro）、^[29]让·佩林（Jean Perrin）^[11]和莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）^[30]等科学家，分子研究今天被称为分子物理学或分子化学。^[31][32]许多常见的有机物质（如淀粉、蔗糖）都是由分子所组成的，^[33]海洋和大气大部分也是由分子组成的。^[34][35]但地球上绝大多数固体物质都是由原子、离子或分子按规律排列的格子构造的结晶质，并不是仅由分子所构成。^[36][37]而在离子晶体（像食盐）及共价晶体有反复出现的晶体结构，则也无法找到独立的分子。^[38][39]固态金属单质是用金属键键结，也有其晶体结构，也不是由分子组成。^[40]玻璃中的原子之间以化学键键结，但是既没有分子的存在，也没有类似晶体规律排列的格子构造。^[41]

分子（即molecule）源自17世纪的法语单词 molécule（意为“极小的微粒”）与现代拉丁单词molecula（意为“团块； 障碍物”），molecula该词最初的含义比较模糊，这个词汇的流行可以追溯到笛卡尔哲学。直到18世纪末都在使用拉丁语形式molecula，molecule由阿梅迪奥·阿伏加德罗于1811年首次引入使用。^[3]

1704年，在牛顿（Isaac Newton）《光学》（《Opticks》）中写道，“物质的最小粒子可以由于最大的吸引而粘聚在一起，并组成效能较弱的较大的粒子；几个这样较大的粒子又可以粘聚成效能更弱的更大的粒子“，牛顿当时所提到的那些最大粒子正是如今的分子。^[16]

1661年罗伯特·波义耳出版了《怀疑的化学家》（《The Sceptical Chymist》），这一著作的问世，被誉为“近代化学的开端”。罗伯特·波义耳在书中指出，物质的基本元素由各种类型和大小的粒子组成，称为“微粒，它们能够自行排列成粒子簇，物质的化学变化是由粒子簇的重新排列组合。^[42]

1675年，尼古拉斯·勒梅里（Nicolas Lemery）出版了《化学课程》（《Course of Chymistry》），认为分子由通过点和孔的几何锁定结合在一起的微粒组成。物质的酸性都在于其尖尖的颗粒，而碱性则赋予了各种大小的孔隙。酸尖和碱孔的大小之间必须相匹配才能发生反应。^[17][18]

1718年，杰弗鲁瓦（Étienne François Geoffroy）用亲和力理论解释化学作用，认为物质通过亲和力结合，不同物质间有不同程度的亲和力，化学反应实际是亲和力更强的物质替换亲和力弱的物质。^[43]1738年丹尼尔·伯努利发表了《流体动力学》（《Hydrodynamica》） ，提出气体由大量向各个方向移动的粒子组成，它们反复碰撞而对容器产生压力。^[44]

1789年，威廉·希金斯（William Higgins）发表了《燃素说及反燃素说的比较研究》（《the Comparative View of Phlogistic and Antiphlogistic Theories》），用数量值来表示原子间的亲和力，将力的强度相应地划分。^[45]1803年，道尔顿（John Dalton）提出了自己的原子学说，认为元素是由非常微小的、看不见的、不可再分割的原子组成的；原子既不能创造，不能毁灭，也不能转变，所以在一切化学反应中都保持自己原有的性质；同一种元素的原子其形状、质量及各种性质都相同，不同元素原子的形状、质量及各种性质则各不相同，原子的质量（而不是形状）是元素最基本的特征；不同元素的原子以简单的数目比例相结合形成化合物。化合物的原子称为复杂原子，它的质量为所含各种元素原子质量的总和。同种化合物的复杂原子，其性质和质量也必然相同。^[46]

1811年，阿梅迪奥·阿伏加德罗发表了《论测定物质中原子相对重量及其化合物中数目比例的一种方法》（《Essay on Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies》），在文中首次引入使用了molecule（分子）这个词，并指出原子是参加化学反应的最小质点，分子则是游离态单质或化合物能独立存在的最小质点。分子由原子组成，单质分子可以由相同元素的多个原子组成，化合物分子则由不同元素的若干原子组成。^[14][15]

1827年，英国植物学家罗伯特·布朗（Robert Brown）在探讨花粉在植物受精过程中的功能时发现，由花粉分裂出来的圆筒形微粒全都在做定向、无规则的振动。之后他又在其他植物中也观察到了这一现象。次年，罗伯特·布朗在《植物花粉的显微观察》一书中记述了他的发现，并提出了布朗运动的概念，为分子的存在提供了强有力的佐证。^[20]1857年，奥古斯特·凯库勒（August Kekulé）提出了分子中原子与原子结合结构的理论：“一种元素的原子或基团与另一种元素的原子相化合时，其数目由各组成部分的碱度或亲合力大小来决定。”；并在1858年，论证了碳的化合价为4价，并指出碳原子间可以相连成链状。^[47][48]；同年，斯科特·库珀（Archibald Scott Couper ），独立提出了与奥古斯特·凯库勒基本相同的分子结构理论，并使用连续的线和括号来表示键。^[49]

1861年，洛施密特（Joseph Loschmidt），自费出版了一本题为《Chemische Studien I》的小册子，在其中给出了环状结构和双键结构的开创性分子图像。^[50]1865年，奥古斯特·凯库勒提出，苯的结构为正六边形结构，六个碳原子具有交替的单键和双键的平面结构，每个碳原子和一个氢相连。^[51]1865年，霍夫曼（August Wilhelm von Hofmann）制作了第一个球棒分子模型，并在英国皇家学会的演讲中使用了该模型。^[19]

1864年，克拉姆·布朗（Alexander Crum Brown）绘制了分子图，他用圆圈圈住原子符号，用线将原子以满足每个原子化合价的方式连接在一起。^[52]1873年，麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在《自然》（《Nature》）上发表了长十三页文章《分子》（《Molecules》）明确指出”原子无法再分，而分子是保持物质特性的最小部分，当气体分子连续不断地撞击固体时，就会产生气压，但没有人见过或处理过分子。”^[53]1891年，费歇尔（Fischer）设计了用投影式来表示分子立体模型的方法，所得到的投影式叫费歇尔投影式。^[54]

1898年，路德维希·玻尔兹曼（ Ludwig Boltzmann）在他的《气体理论讲座》（《Lectures on Gas Theory 》）中，用价理论解释了气相分子解离现象，路德维希·玻尔兹曼指出，必须通过两个原子之间作用的吸引力来解释由两个原子组成的分子的存在。这种吸引力与原子表面上一个相对较小的区域相关，这个区域位于原子表面，或者部分位于原子内部，只有当两个原子的这个区域接触或部分重叠时，它们之间才会产生化学吸引力。以化学方式相互结合。^[55]

1916年，刘易斯（Lewis）发表《原子与分子》（《The Atom and the Molecule》），引入了“刘易斯结构”来表示原子和分子，用点代表电子，线代表共价键；并提出了电子对键的概念，两个原子可以共享一到六个电子而形成单电子对键、双电子对键或三电子对键。^[56]1905年，爱因斯坦（Albert Einstein）对布朗运动做了定量研究，指出布朗动动是由于微粒分子之间的碰撞引起的分子相对两面的压力差所致。^[20]

1905年后，让·佩林对爱因斯坦的布朗运动理论进行了实验研究，最终证实该理论的正确性，间接证明了分子的存在并于1926年获得诺贝尔物理学奖。^[11]

1931年，莱纳斯·鲍林发表了《化学键的本质》（《The Nature of the Chemical Bond》），使用量子力学方法来计算分子的性质和结构（键之间的角度、键的旋转等）。发展了杂化理论来解释 CH4等分子中的键，四个sp3杂化轨道与氢的1s轨道重叠，产生四个西格玛 （σ） 键。四个键具有相同的长度和强度，从而产生如图所示的分子结构：^[21]

鲍林因此而获得了 1954年诺贝尔化学奖。^[57]1999年，维也纳大学（University of Vienna）的研究人员将一束60个碳原子富勒烯分子束通过光栅得到干涉图样，验证了分子的波动性。^[58]

2009年，国际商业机器公司（简称IBM，International Business Machines Corporation）的研究人员使用原子力显微镜成功拍摄了第一张真实分子的照片，照片展示了五苯分子的每个原子以及原子间的键。^[12][13]

最小的分子为单原子分子，其尺寸大小为10-19m量级；最大的分子包含许多原子，其尺寸至少要比单原子分子大 10000 倍。^[59]DNA是人类已知（截止到2015年）的尺寸最大分子，拉直展开将有近40厘米长。^[60]

分子量最小的分子是氢分子（H2），分子量为2，最大的分子分子量可达几百万以上，通常把分子量在数千以上的分子叫高分子^[61]

分子会作永不停息的无规则运动，温度越高，这种运动越剧烈，由于这种无规则运动与温度有关，通常把分子的无规则运动称为分子的热运动。^[62]任何分子的原子都围绕其平衡位置不停地振动，振动的频率取决于原子的质量、距离和相互间的作用力，振动频率的集合是分子独特的特性。^[63]

构成物质时，分子并不是一个个紧靠在一起的。它们之间存在着一定的间隔。气态物质分子间隔大，相互作用力小，所以气体没有固定的体积和形状；液态物质分子间隔较小，作用力有所增大，所以液体有固定体积，但是没有固定形状，固态物质由于分子间隔很小，分子间作用力进一步增大，分子运动很不自由，所以固体有一定体积和形状。^[64]

在外电场作用下，构成分子的原子（或原子团），或离子会发生相对移动而极化（称为原子极化）。极性电介质的分子，在无外电场作用时，就有一定的偶极矩，在各个方向的机率是相等的，当极性分子受外电场作用时，偶极子与电场的作用就会发生转向。^[65]

当光子的能量等于分子的基态和激发态能量之差时分子会吸收该光子，从基态跃迁到激发态，由于激发态不稳定，分子会以光的形式释放能量重新回到基态。光通过介质时会发生散射，当被照射粒子的直径小于入射光波长时所发生的散射为分子散射。光子与介质分子之间发生弹性碰撞，碰撞过程中没有能量交换，光的频率不变，仅光子的运动方向发生改变，这种分子散射称为瑞利（Rayleigh）散射。光子与介质分子之间发生非弹性碰撞，相互之间有能量交换，光的频率因此发生变化，这种分子散射称为拉曼（Raman）散射。^[66]

分子中电子的轨道运动、电子的自旋运动及核的自旋运动，都可看做是环绕回路流动的电荷，都会产生磁矩，相当于一个小磁体。当分子的电子壳层中的电子是配对的，配对的电子自旋磁矩相互抵消，相应电子的轨道运动的磁矩也两两抵消，分子构成的物质将具有逆磁性^[注1]。^[67]

当分子中存在未成对的电子时，未成对电子的自旋产生磁矩，亦称永久磁矩。在通常情况下，由于该分子磁矩的方向是随机的，所以不呈现磁性，当其处于外加磁场中，分子的永久磁矩随外磁场取向，分子构成的物质将具有顺磁性^[注1]。^[67]

分子化学结构（或称分子立体结构、分子形状、分子几何、分子几何构型），简称分子结构，用以描述分子中原子的三维排列方式。分子结构涉及原子在空间中的位置，与形成的化学键种类有关。^[68]物质的物理性质常常与物质分子间作用力有关，分子间作用力受分子结构影响很大，物质的物理性质又在一定程度上反映了分子结构的特征。^[69]分子的总能量直接与它的几何形状有关，分子将采取能量最低的几何形状，这种几何形状是通过围绕单键的旋转而实现的。许多分子之所以呈现张力，是由于非理想几何形状造成的。分子将尽可能地利用键角或键长的改变来使能量达到最低值。^[70]

分子的空间构型

共价型分子中各原子在空间排列构成的几何形状称为分子的空间构型，多原子分子的空间构型与杂化轨道相关。原子在成键时，中心原子中能级相近的轨道打乱“混合”重新组成新轨道的过程叫做轨道杂化，所形成的新轨道叫做杂化轨道；形成杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道总数；杂化轨道角度分布图形呈葫芦形，一头大一头小，成键时重叠部分增大，形成的键更牢固；定量确定杂化轨道间的夹角，从而确定分子的空间构型；杂化分等性杂化与不等性杂化，凡是形成一组完全等同（能量相等，成分相同的杂化轨道属于等性杂化；凡是由于杂化轨道中有不参与成键的孤电子对的存在，而形成不完全等同的杂化轨道属于不等性杂化。^[71]

杂化轨道类型	sp	sp2	sp3	sp3不等性
参加杂化的轨道	1个s，1个ρ	1个s，2个ρ	1个s，3个ρ	1个s，3个ρ	-
杂化轨道数	2	3	4	4
成健轨道空间夹角	180°	120°	109°28'	90°-109°28'
空间构型
中心原子	Be、Hg	B	C、Si	N、P	O、S
实例	BeCl2、HgCl2	BF3、BCl3	CH4、CHCl3、SiF4	NH3、PCl3	H2O、H2S

除原子与原子之间形成的化学键外，分子与分子之间，基团与基团之间，或者小分子与大分子内的基团之间，还存在着各种各样的作用力，总称为分子间力。相对于化学键，分子间力是一类弱作用力，一般在几个kJ/mol，而通常共价键能量约为150~500kJ/mol。^[72]

极性分子由于存在正、负电荷中心不重合而具有的偶极、一般称为固有偶极，分子接近时，异极相邻定向排列的过程称为取向，这种极性分子固有偶极间的相互作用力，称为取向力。当极性分子与非极性分子接近时，极性分子的固有偶极使非极性分子极化，从而非极性分子产生诱导偶极，固有偶极与诱导偶极间的作用力，称为诱导力。非极性分子内部，由于电子的运动和原子核的振动可以发生瞬间的相对位移（正、负电荷中心不重合），从而产生瞬间偶极，由瞬间偶极产生的作用力叫色散力。极性分子间也存在诱导力和色散力。^[73]

取向力和诱导力只存在于极性分子，色散力不论极性分子或非极性分子都存在。色散力是最普遍也是最重要的，只有分子极性较大时才以取向力为主，诱导力一般较小。因此，同类型的分子，摩尔质量越大，分子间力越大。^[73]

分子量是以碳（C12）原子质量的 1/12 作为质量的单位计算出来的相对分子质量。通常用表示，分子量等于构成分子的各个原子的原子量（以C12原子质量的 1/12 作为质量的单位计算出来的相对质量）的总和。例如，水（H20）分子的分子量是两个氢（H）原子和一个氧（O）原子的原子量的总和，氢原子的原子量为1.0078 ，氧原子的原子量为15.9994，计算得：^[74]

分子量仅仅是个比值，没有单位。^[74]

由两个或多个原子靠着一种较强的结合力结合在一起而形成单质、化合物等分子，这种分子中直接相邻的两个或多个原子间较强的相互作用力被称为化学键。相互作用力可以通过能量来加以衡量，一般认为，当分子体系能量低于单个原子体系能量约40kJ/mol以上时就形成了化学键。化学界普遍接受的化学键理论主要有两个，一个是离子键理论，另一个是共价键理论。更准确地说，还有一个金属键理论，但是金属键理论也可归于共价键理论的范畴。^[75]

离子键理论

易失去电子的金属原子，将电子传给易得到电子的非金属原子，形成具有八电子结构的正离子和负离子，两者通过静电引力结合成离子型分子。这种由正、负离子间静电引力结合而形成的化学键称为离子键。离子键没有方向性和饱和性。因为离子电荷分布可近似认为是球形对称，因此可在空间各个方向等同地吸引带相反电荷的离子，这就决定了离子键的无方向性。离子键无饱和性是指在离子晶体中，只要空间位置许可，每个离子总是尽可能多地吸引带相反电荷的离子，使体系处于尽量低的能量状态。电负性差值较大的活泼金属原子和活泼非金属原子之间能够通过电子转移分别成为正、负离子，在形成离子键的过程中，往往伴随着体系能量的变化。体系释放的能量越多，表示正、负离子之间的结合越牢固，离子键越稳定。^[76]

共价键理论

分子中的每个原子都具有稳定的稀有气体原子的电子层结构，但这种结构不是通过电子转移，而是靠原子间电子对的共用形成，这种分子中原子间通过共用电子对结合而形成的化学键称为共价键。^[77]

共价键形成的基本条件是成键两原子有自旋相反的成单电子，成键时成单电子所在的原子轨道必须发生最大程度的有效重叠。两原子间可形成共价键的数目取决于成键原子的成单电子数。共价键的本质：原子轨道的重叠使体系能量降低而成键，即将分子中两端成键原子外侧的电子聚集到两个原子核之间，增加了两个原子核之间区域的电子云密度，聚集在两个原子核之间的稠密电子云同时受到两个原子核的吸引，也就是两个原子核之间的电子云将两个原子核结合在一起形成共价键。^[78]

共价键与离子键不同，它具有饱和性和方向性，一个基态原子能提供的未成对电子数目是确定的，原子形成共价键的数目也是确定的，因此共价键具有饱和性；共价键形成时满足原子轨道最大重叠原理，即成键原子轨道应沿着合适的方向以达到最大程度的有效重叠，这决定了共价键的方向性。^[78]

化学式是实验式、分子式、结构式等的统称，是用元素符号和数字表示单质或化合物组成的式子。^[79]

分子式

分子式是表达一个分子中所含各种元素的原子数目的化学式，单质的分子式是先写出组成单质的元素符号，再在右下角标出数字，表示这种单质的一个分子里所含原子数目，如O2、N2对于分子化合物，由代表分子中元素的符号组成分子式，再用下标注出分子所含的各元素原子个数，如CO2、CH4，一种物质只有一个分子式，它是通过实验测定物质的组成和分子量后得到的。^[80]

结构式

结构式也叫构造式，是表达有机化合物分子结构的化学式，结构式是用化学元素符号通过共价键相互连接而表示的。化学结构式中用来连接各原子或官能团的连线称为键号。键号既有单键、双键、三键，又有横键、竖键和斜键。有机化合物的结构式通常用短线式、缩简式和键线式方式表示。短线式中，一条短线代表一个共价键，单键用一条短线相连，三键以三条短线相连；缩简式中，结构式中的键号短线被省略，将官能团以外的其他原子分别合写在一起；键线式中，结构式中的碳和氢原子被省略，短线代表碳键，短线连接点和端点表示碳原子。^[81]

分子物理学是从物质的分予结构研究气体、液体和固体的基本性质及其热现象的学科，它是物理学的一个分支。对于物体的体积、压力和温度之间的关系，物质的比热，输运过程（如扩散、热传导和粘滞性等），液体的表层现象，相平衡和相变等都是分子物理学的研究对象。^[82]

物体通常是由大量分子所组成，分子又由原子组成。分子、原子都有大小、质量、速度、能量等，这些用来表示个别分子的物理量称为微观量，这种量很难测量。一般在实验室中测得的量，则是表示大量分子集体特性的量，称为宏观量，例如气体的温度、压强、热容等都是宏观量。分子物理学从物体的分子结构和分子运动的观点，采用统计的方法，求出大量分子的一些微观量的统计平均值，用以解释和揭示物体的宏观现象和宏观规律的本质，并确定宏观量和微观量之间的关系。^[83]

理论化学是一门应用物理学原理和方法研究物质的化学变化的化学，也称物理化学，内容包括物质结构、化学热力学、化学动力学、溶液理论、电化学、光化学和胶体化学等几个主要部分，是化学和化工学科的理论基础。^[84]

理论化学囊括了量子化学和化学统计力学两方面的内容，主要包括：研究原子、分子和晶体的微观结构的量子理论，运用近似计算方法确定微观结构。研究原子、分子和晶体的微观结构和微观性质的关系，运用归纳和演绎相结合的方法，探索分子和固体的量子理论的规律。量子力学与统计力学相结合，探讨微观结构和宏观性质的关系，有助于逐步实现分子设计和材料设计，推动化工、新材料、药物等应用科学的发展。^[85]

分子光谱学通过分子的振动光谱和转动光谱研究分子中原子的空间排列、分子可能的平衡结构、得到这些结构中分子的分布情况，^[86]分子光谱是分子从一种能态改变到另一能态时的吸收或发射光谱。分子光谱与分子绕轴的转动、分子中原子在平衡位置的振动和分子内电子的跃迁相对应。分子光谱占据了各个谱带，可分为纯转动光谱、振动-转动光谱带和电子光谱带。由不同电子态上不同振动和不同转动能级之间的跃迁称为电子光谱，这类光谱比较复杂，会产生较多的光谱带，光谱的范围主要在可见或紫外区，所以观测到的可以是发射光谱。^[87]

由不同振动能级上的各转动能级之间发生跃迁而产生的光谱称为振动-转动光谱，这些光谱往往是一些比较密集的谱线，其主要分布在近红外波段，也主要是吸收光谱。在分子转动能级之间发生的跃迁称为纯转动光谱，其光谱范围主要在远红外区域，光谱类型主要为吸收光谱。非极性分子由于不存在电偶极矩，没有转动光谱和振动-转动光谱带。^[87]

分子结构是功能的基础，而功能则是结构的体现。生物大分子的功能通过分子之间的相互识别和相互作用而实现。例如，蛋白质与蛋白质的相互作用在细胞信号转导中的重要作用；蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸、核酸与核酸的相互作用在基因表达调控中的作用。^[88]

分子生物学研究生物分子的结构与功能，组成生物个体的化学成分，包括无机物、有机小分子和生物大分子。体内生物大分子的种类繁多，结构复杂，但其结构有一定的规律性，都是由基本结构单位按一定的顺序和方式连接而成，核酸、蛋白质、多糖、蛋白聚糖和复合脂质等都是体内重要的生物大分子。研究遗传信息的结构、传递和控制，运用DNA重组技术大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽，如激素、抗生素、酶类及抗体等，提高产量，降低成本；定向改造某些生物的基因组结构，使它们所具备的特殊功能更符合人类生活的需要，能成百上千倍地提高其经济价值。研究物质代谢及其调节，例如物质代谢有序性调节的分子机制、细胞信息传递参与多种物质代谢及与其相关的生命过程的调节、细胞信息传递的机制及网络等。研究基因信息传递及其调控、DNA或基因怎样在各细胞系统相关的酶与蛋白质等因子作用下按照中心法则进行自我复制、转录、逆转录和翻译；对mRNA分子进行各种剪接加工修饰、编辑，以及对新生多肽链折叠成有功能的空间结构的分子机制。^[88]

分子医学从分子水平上研究人体正常和疾病状态下生命活动规律，以研究人体生物大分子结构、功能、作用及其同疾病发生、发展的关系乃至在诊断治疗上的应用为主要内容。分子医学就研究对象的范围而言，是分子生物学的组成部分。由于人类生命活动要比其他生物复杂得多，人类的生存又与其他生物息息相关，使得分子医学涉及的范围更宽广。^[89]分子医学应用分子生物学等相关的生命科学的技术和手段，从分子水平研究人类疾病的病因、病理过程、临床诊断、临床治疗、转归与防治。分子医学主要的应用范围包括医学遗传学、新生儿疾病、医学微生物学、医学肿瘤学、治疗学、法医学等传统学科。分子生物学等生命科学的兴起和发展与分子医学的研究和发展存在着千丝万缕的联系，它们密切相关、相互促进。^[90]

分子动力学以牛顿动力学方程为基础，模拟分子体系内所有分子的运动过程，从分子运动的系综构型中进行统计抽样，来计算系统所涉及的所有力学量。分子动力学可以实时给出系统中各个原子或分子的轨迹和状态，在一定的系统边界或约束条件下，能够给出系统分子运动形态的完全构型。随着计算机模拟技术的发展，许多在实验上无法获得或很难获得的大量重要微观信息依靠计算模拟的帮助成为可能。虽然动力学的数值模拟不能完全代替实验给出的宏观结果，而且其正确与否依然需要实验的检测结果进行验证，但分子动力学的方法能提供成本低廉的实验参考，能够指导实验的进行，验证理论和假设的合理性，降低了实验手段的盲目性和成本。计算机的分子动力学模拟能从微观底层上揭示宏观现象背后存在的物理机制。^[92]

高分子物理从高分子链的结构研究、聚合物的聚集态结构研究以及这种结构与高分子化合物作为材料使用时所体现出来的性能、功能间的关系研究入手，寻找高分子链结构（链构型、构象、支化度、序列结构、交联结构等），聚集态结构（浓溶液、液晶态、晶态、非晶态、多相体系、熔体等）的新观点、新现象、新的研究方法。采用新的观点、模型、概念对实验现象进行理论归纳，采用数学、计算机方法解决高分子科学实验中的实际问题；例如，功能高分子的分子设计、高性能材料的分子设计、实验现象的模拟和理论解释等。^[93]

高分子化学利用各种先进分析仪器技术，研究高分子合成和高分子化学反应和机理。主要内容包括：高分子的定义和命名。高分子的合成化学反应(包括自由基、阴离子、阳离子、配位聚合和聚缩反应等)，以及合成反应条件对聚合物结构及性能的影响。高分子反应，包括使高分子改性的反应(如氢化、卤化、环化、烯化、芳构化、氢硅烷化等)，造成高分子破坏或决定高分子使用寿命的反应(氧化、光降解、生物降解等)，提高高分子力学性能或改善加工性的反应(化学交联）。^[94]