從實驗室到日常生活，化學(xué)可以為我們帶來什么？

2024 年 6 月 21 日，科普中國·星空講壇以“科學(xué)報國正當(dāng)時”為主題，邀請五位不同專業(yè)領(lǐng)域的專家學(xué)者，從不同領(lǐng)域、角度闡釋如何從自身興趣和職業(yè)規(guī)劃出發(fā)，結(jié)合國家和社會的需求做出未來選擇。

清華大學(xué)化學(xué)博士、科普作家孫亞飛帶來演講《化學(xué)的無限可能——從實驗室到日常生活》
以下是孫亞飛的演講節(jié)選：

我學(xué)了很多年化學(xué)。

高中起，我就參加化學(xué)競賽，運(yùn)氣還不錯，保送到北京大學(xué)，在北大化學(xué)系待了 4 年。

畢業(yè)后，我在一家工廠擔(dān)任研發(fā)工程師，也是在那里，看到和學(xué)到了很多和實驗室里不一樣的東西，之后就走上了科普的道路。

從事科普工作的過程中，我又發(fā)現(xiàn)：好像僅有一些化學(xué)知識還是不夠，于是回爐深造，到清華大學(xué)化學(xué)系讀了博士。

算算看，從高中到現(xiàn)在，我已經(jīng)在化學(xué)實驗室里面泡了挺長的時間。那么，在實驗室里，我們一般會做什么？

這些實驗室的“黑話”是什么意思？

在實驗室里，我們常提到幾個“黑話”：過柱子、打核磁、測電鏡還有洗瓶子。

它們分別是什么意思？

過柱子

過柱子是化學(xué)實驗里面非常重要的一個過程。

所有的化學(xué)反應(yīng)過程中，都不會只得到某種單一產(chǎn)物，而是很多產(chǎn)物混合在一起，所以需要對這些產(chǎn)物進(jìn)行分離。

在化學(xué)實驗室里，每次反應(yīng)進(jìn)行完，首先要做的，就是把其中我們想要的產(chǎn)物分離出來，而分離的方式就是“過柱子”。

過柱子的時間有長有短。有時過得快，二三十分鐘就能把我們想要的東西給分離出來，不過通常我們都需要干上一天的時間，有時過上一天也不一定能分出來我們想要的，過上幾天也是有可能的。

打核磁

好不容易過完柱子，拿到了分離的產(chǎn)物，那怎么確認(rèn)它到底是不是我們想要的那種呢？

這就需要打核磁。它的原理其實和醫(yī)院里的核磁共振一樣，不過，實驗室里這個核磁更小巧一些，一般是針對毫克級的樣品進(jìn)行檢測。通過核磁共振的檢測，我們就可以驗證這個分離出的產(chǎn)物是不是就是我們想要的那個東西，確定下這個結(jié)果。

測電鏡

但是，有了這個結(jié)果，可能還不夠。因為這個物質(zhì)的純度可能還不夠高，那怎么辦呢？

對于純度不高的物質(zhì)，我們需要提純，提純后讓它長出晶體，最好是長成一個叫單晶的東西。長完之后，我們就要在電子顯微鏡下面進(jìn)行測定，也就是“測電鏡”。

洗瓶子

洗瓶子其實也是化學(xué)實驗室里非常重要的動作。

如果瓶子沒洗干凈，留下一些雜質(zhì)，就很可能導(dǎo)致后面的化學(xué)反應(yīng)失敗。但有的時候，瓶子洗得太干凈也不行，比如前面說，測電鏡找單晶，可有時候瓶子洗得太干凈，單晶卻會長不出來。

所以，你看，化學(xué)實驗室里的每個行為，其實背后都是有學(xué)問的。

化學(xué)實驗室里的無限可能性

做實驗的過程，聽起來有點枯燥，而且有時還得不到想要的結(jié)果——那我們?yōu)槭裁催€需要做這些實驗？

簡單說，做實驗真的有好處。

比如富勒烯（C60），按分子的說法其實是碳 60，因為它是 60 個碳原子去構(gòu)成的球形分子。這個分子是怎么被發(fā)現(xiàn)的呢？

富勒烯分子，看起來像個足球| 圖蟲創(chuàng)意兩百多年前，人類就已經(jīng)在想辦法去探測太陽或者更遠(yuǎn)的地方有什么化學(xué)物質(zhì)。比如，宇宙中那些“黑”的地方，里面是什么？化學(xué)家也想知道，于是去做一些光譜測試，因為即使是“黑”的地方，它可能也會有一些光譜打過來。

上世紀(jì) 50 年代，就有一些太空里面的分子被查出來了，但是，它們的光譜打出來之后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在地球上找不到一模一樣的光譜，這就說明，太空里的這些分子是人類到目前為止還不認(rèn)識的。

其中一個，就是富勒烯的光譜。當(dāng)時，我們還不知道它是長成這樣?；瘜W(xué)家在實驗室想了很多辦法去合成跟它相似的東西，但是，始終都沒有想到是這樣一個球形分子。做了大概十幾年，有一個化學(xué)家突發(fā)奇想，用一些電弧的方法，就做出了這樣一個東西，然后拿去檢測，就發(fā)現(xiàn)：這不是由碳原子構(gòu)成的一個純單質(zhì)嘛，而且是 60 個碳，像足球一樣的完整分子。后來，這位化學(xué)家也因為這項工作獲得了 1996 年的諾貝爾化學(xué)獎。

化學(xué)實驗雖然確實枯燥，可能需要一代人甚至幾代人去做實驗和驗證，但是，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)它的時候，你就會覺得：原來這個自然世界如此有意思。

當(dāng)然，后來科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)，這個碳 60 其實也沒有那么難獲取，你在家里面哪怕點一根蠟燭，燒出的碳灰里就能找到這個分子，聽起來也有點像“驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”。

確實，化學(xué)發(fā)現(xiàn)經(jīng)常是在不經(jīng)意間發(fā)生的。

比方說，碳如果不是像富勒烯那樣形成球，而是完全鋪平，就是石墨烯分子，石墨烯疊起來之后是石墨，每一層就是石墨烯，但是想把這個石墨一個個切片切成石墨烯，那是不可能的，因為它只有一個原子那么厚。

但是在二十年前，有一位叫安德烈·海姆的科學(xué)家，他想，我不是不能夠用刀把它切開嘛，那我換一個方式吧，用膠帶。

我們知道，用膠帶撕東西的時候，會把一些物質(zhì)從中間給它撕開，那么，多撕幾次，是不是就能把這個石墨給撕開呢？這個實驗方式看起來有點搞笑，但他最后還真的做成了，將石墨做成了單層的石墨烯。

化學(xué)給我們的生活帶來了什么？

化學(xué)實驗室里有很多和我們生活密切相關(guān)的事情。

比如電動汽車?yán)锒紩玫降匿囯x子電池?，F(xiàn)在，我們的家用汽車都在從原來的燃油汽車往電動汽車過渡，電動汽車就需要用電池。以前的電池容量不太夠，效率也不太高。后來，鋰離子電池出現(xiàn)了。鋰離子電池的厲害在哪里呢？以前電池在充電的時候會有個記憶效應(yīng)，如果沒有把電用完立即就去充電，那么電池就會記住這個電量，以后再用到這個電量的時候，電池就顯示沒電了。但鋰離子電池不會，而是在每次反應(yīng)完了之后都把電量用完，然后再充進(jìn)去。

還有像醫(yī)院里用的注射器，也需要很多化學(xué)知識才能生產(chǎn)出來。藥品跟化學(xué)就更相關(guān)了，比如我們熟悉的阿司匹林，化學(xué)專業(yè)的學(xué)生上有機(jī)化學(xué)的第一個實驗一般就是制作阿司匹林，它是非常經(jīng)典的用化學(xué)方法合成的一種藥物。

再比如，加工芯片需要用光刻機(jī)或是高純度的硅片，這些物質(zhì)和加工的工藝，同樣需要化學(xué)支撐，化學(xué)工藝足夠發(fā)達(dá)，才有可能生產(chǎn)出純度為 99.9999999999%的高純硅（9 的數(shù)字要達(dá)到 12 個），如果達(dá)不到這個水平，計算機(jī)在運(yùn)算的時候就容易出 bug。還有光刻機(jī)里要用到的光刻膠，也要通過化學(xué)方法，才能合成我們做芯片所需要程度的光刻膠。

未來，化學(xué)還可以做什么？

未來，化學(xué)能做的事情更多。

比如，AI 相關(guān)的技術(shù)，需要用到芯片，還需要很多算法，還要用到一些傳感器，這些傳感器也需要通過化學(xué)方法合成。比如觸覺，怎么才能傳遞到人體呢？當(dāng)然需要我們先把人體自己的化學(xué)機(jī)制弄清楚，再去找到相應(yīng)的材料，再把觸覺模擬出來。

還有我們會擔(dān)心水污染和空氣污染，但實際上，通過新的化學(xué)知識，可以讓水和空氣變得更加潔凈。如果說切身體會的話，最近十多年來，北京的空氣質(zhì)量越來越好，其中就離不開很多化學(xué)家的貢獻(xiàn)。

未來，還有很多深空探測、入地還有下海的過程，也需要很多新材料的支撐。

還有，現(xiàn)在能源越來越缺乏，我們不能總依賴那些化石能源比如石油或煤炭，因為這些資源總會挖光的，而且它們?nèi)紵a(chǎn)生的二氧化碳，也會帶來溫室氣體效應(yīng)。那怎么辦呢？這就需要利用一些新能源，比如太陽能、水電或者風(fēng)能。要發(fā)展這些能源，就需要用到很多化學(xué)知識，因為需要加工很多材料，比如風(fēng)電，它表面有一層散熱層，就會用到石墨烯作為原材料去做這個散熱層。

策劃制作

作者丨孫亞飛 科普作家

審核丨穆云松 中國人民大學(xué)化學(xué)與生命資源學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系主任、副教授

責(zé)編丨楊楊