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演講內(nèi)容文字版
我是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的梁琰，很高興今天跟大家分享美麗化學(xué)的東西，我也是這個(gè)項(xiàng)目的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，也是項(xiàng)目的作者、攝影，加上科學(xué)可視化指導(dǎo)。大家看到這個(gè)圖片是我們新的網(wǎng)站，如果大家之前上過我們現(xiàn)在的網(wǎng)站的話，這是我們馬上要更新的新的版本。
我們經(jīng)常收到的一個(gè)問題就是，為什么要做美麗化學(xué)的這樣一個(gè)項(xiàng)目？其實(shí)答案很簡單，因?yàn)榛瘜W(xué)非常非常美麗。從我個(gè)人的經(jīng)歷來講，我是清華大學(xué)化學(xué)專業(yè)的本科和碩士，然后之后到美國的明尼蘇達(dá)學(xué)了一個(gè)材料學(xué)的博士，所以，經(jīng)過這么十多年的學(xué)習(xí)，我越發(fā)覺得化學(xué)非常非常的美麗，所以希望把自己對化學(xué)的熱愛分享給更多的人。
那么如何來展現(xiàn)化學(xué)這種美麗呢？我特別喜歡攝影，而且我還特別喜歡在實(shí)驗(yàn)室里拍東西，大家看到的這個(gè)是在哈佛大學(xué)的Markus Greiner的實(shí)驗(yàn)室里邊，拍攝的是用光學(xué)來控制超冷原子的實(shí)驗(yàn)裝置。
這幅是在中國科學(xué)院的金屬研究所，在李峰教授的實(shí)驗(yàn)室里拍的他生產(chǎn)碳納米管和測試他們的電池的裝置，他們把電池做成一個(gè)一個(gè)的紐扣電池，然后再在這樣的夾子上面批量地進(jìn)行測試。
所以我在想，我之前沒有去拍過化學(xué)反應(yīng)，但我覺得通過特殊的這種攝影的手法去拍攝這些化學(xué)反應(yīng)的話，一定能收到特別好的效果，所以這樣就解決了宏觀的一個(gè)問題，我們來拍攝化學(xué)反應(yīng)。另外呢化學(xué)有很多微觀的東西，我們怎么呈現(xiàn)這些微觀的、拍攝不到的、看不到的東西呢？
我是98年的時(shí)候大學(xué)入學(xué)，那時(shí)候第一次接觸電腦，當(dāng)時(shí)就迷上了電腦的圖形圖像的各種各樣軟件，包括當(dāng)時(shí)的動(dòng)畫啊游戲啊還有影視特效，都跟這些電腦圖像非常相關(guān)，所以這是我的一個(gè)愛好，那一直到博士畢業(yè)之后一直在維持這個(gè)愛好。畢業(yè)之后很有幸到波士頓的一家公司叫做Digizyme，去做了一個(gè)科學(xué)動(dòng)畫師，去做這些科學(xué)可視化方面的工作，之后又成為了一名自由職業(yè)者，我自由職業(yè)者的工作就是給世界各地的科學(xué)家來服務(wù)，給他們來做這種既能表現(xiàn)他們科研內(nèi)容，又能展現(xiàn)他們科研的這種給科研帶來一些視覺沖擊力的圖片，包括這兩張是我做的圖像，分別發(fā)表在《自然》的《光子學(xué)》和《自然》的《材料學(xué)》的雜志上。
所以這樣的話就很確定，我們對于這種看不見的、微觀的納米級(jí)別，甚至比納米級(jí)別更小的化學(xué)結(jié)構(gòu)，我們可以通過電腦圖像的手段來給它展現(xiàn)，下面的話我們來看一看我們怎么來展現(xiàn)這些化學(xué)。
這個(gè)是所有的中學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)的時(shí)候最頭疼的一個(gè)東西，就是這些東西都是化學(xué)方程式，這些東西是要背的，是很枯燥的，但是我覺得這是看似枯燥的化學(xué)方程式，這些都是金屬的置換反應(yīng)是吧，鋅置換銀，鋅置換銅和鋅置換鉛，這些反應(yīng)原理其實(shí)很簡單，但是很枯燥，這個(gè)東西看起來的話就是要背，很多人對化學(xué)的感覺大概就是這樣，要背好多好多的東西：
但是我們來看一看這些方程式背后到底是什么樣的一個(gè)圖像。
這是第一個(gè)反應(yīng)，置換銀的反應(yīng)。
在硝酸銀溶液中，因?yàn)殂y很重，所以大家看到這個(gè)生長出來的銀樹都在往下走，是因?yàn)橹亓Φ淖饔谩?/span>
這是置換銅的反應(yīng)： 
硝酸銀跟氯化鈉生成氯化銀的反應(yīng)：
在我們拍攝之前我們很難想象這些反應(yīng)大概是個(gè)什么樣子，所以我們在拍攝的過程其實(shí)是發(fā)現(xiàn)的一個(gè)過程，而且每個(gè)反應(yīng)都有自己獨(dú)特的個(gè)性。 說到這兒要感謝兩位參與這個(gè)項(xiàng)目的陶先剛老師跟黃微老師，都是中科大的老師，他們有非常多的這方面教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，使我們在很短的時(shí)間內(nèi)能完成大量的反應(yīng)，都是這兩位老師的貢獻(xiàn)。 我們經(jīng)常也會(huì)收到各種各樣的問題，你們到底用什么樣的裝置來拍攝這些東西?。课覀兤鋵?shí)用的都是很普通的一些設(shè)備，當(dāng)時(shí)因?yàn)樗上碌腉H4相機(jī)剛剛出來，它是一個(gè)非常好的、性價(jià)比非常高的、可以拍攝4K視頻的相機(jī)，所以我們用的是這個(gè)相機(jī)，我們用的是一個(gè)微距鏡頭，這樣的話可以把距離拉得很近，大家感覺放得好大的感覺其實(shí)就是一個(gè)百微，加上一個(gè)國產(chǎn)的也好或者是國外的一個(gè)轉(zhuǎn)接環(huán)就可以了。 但是拍攝的容器，因?yàn)槲覀兣牡拇蟛糠侄际窃谌芤豪锇l(fā)生的反應(yīng)，這塊還是有一些重要的點(diǎn)要跟大家說一下，平時(shí)這樣的化學(xué)反應(yīng)，大家可以在網(wǎng)上看到很多視頻，基本上要么是在燒杯、試管或者是燒瓶里進(jìn)行的，那這種圓形的或者是圓柱形的容器的話，因?yàn)樗诶锩妫蠹铱梢阅贸鲆黄?，比如說大家現(xiàn)在有礦泉水，拿出來看一看，手放在后面的話手就會(huì)變形，它有一個(gè)水的折射問題，另外，這種圓形或圓柱形經(jīng)常會(huì)有高光反射，產(chǎn)生一些視覺干擾，所以我們用的是這種比色皿，大家可以理解成微型的這種魚缸，用這樣?xùn)|西來拍攝的時(shí)候，就真正把變形、光影的干擾都給去掉了，所以我們看到的是化學(xué)反應(yīng)本身的東西，這很重要。 
這跟兩個(gè)溶液的濃度有關(guān)系，產(chǎn)生了這樣的一個(gè)滲透壓，所以大家看到很奇怪的各種各樣的現(xiàn)象，我們剛剛開始這部分的制作，新的內(nèi)容也會(huì)公布在我們新的網(wǎng)站上。
說完了化學(xué)反應(yīng)，我們來看一看微觀的化學(xué)結(jié)構(gòu)。大家看到這是綠寶石，其實(shí)更準(zhǔn)確地說應(yīng)該是，一塊祖母綠在微觀下的結(jié)構(gòu)。
這些寶石宏觀都是很吸引人的，大家都去追求它，花高價(jià)去買它，它在微觀下也是非常非常美麗的。我本人因?yàn)閷W(xué)過材料方面，經(jīng)常會(huì)學(xué)習(xí)各種各樣的晶體結(jié)構(gòu)，我對這種非常有對稱性的結(jié)構(gòu)是非常喜歡的。
這個(gè)是紅寶石的結(jié)構(gòu)，紅寶石其實(shí)就是三氧化二鋁，之所以呈現(xiàn)紅色是因?yàn)樗锩婊煊猩倭康你t離子，如果混有其他的離子也可以成為藍(lán)色，變成藍(lán)寶石，但實(shí)質(zhì)上來說它都是三氧化二鋁。各位觀眾如果用的是iPhone的話，你的手機(jī)上的鏡頭保護(hù)膜其實(shí)也是三氧化二鋁，剛玉（三氧化二鋁的別稱）。
這個(gè)是更普通的我們每天都攝取的食鹽的結(jié)構(gòu)，這個(gè)可能在高中的時(shí)候大家都知道，鈉原子把一個(gè)電子給了氯離子所以帶了一個(gè)正價(jià)，這邊是一個(gè)負(fù)價(jià)，所以他們是一比一的結(jié)構(gòu)。
但這個(gè)結(jié)構(gòu)如果在高壓下會(huì)變成什么樣子呢？ 在非常高的壓強(qiáng)下，它不再是一比一的結(jié)構(gòu)，會(huì)可能一比三，一比七或者三比一的這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)： 這是科學(xué)家最近在前兩年的時(shí)候通過計(jì)算推測出來的，而且通過實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證出來了一些真正的這樣可以存在的一些結(jié)構(gòu)，我們對化合價(jià)的性質(zhì)的認(rèn)識(shí)也正在發(fā)生一些轉(zhuǎn)變。 這是干冰的結(jié)構(gòu)，二氧化碳的氣體，但是在很低的溫度下也能形成這么很規(guī)整的結(jié)構(gòu)，舞臺(tái)上咱們今天沒有造霧之類的東西，造霧的時(shí)候經(jīng)常要用到干冰的。 為什么要研究這些氫鍵的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)呢？因?yàn)樗谏倪^程中是非常重要的分子，它不僅僅是一個(gè)溶劑的作用，我們在細(xì)胞內(nèi)部發(fā)生的無數(shù)的化學(xué)反應(yīng)，有很多很多的化學(xué)反應(yīng)都是跟水相關(guān)的，而且水是參與化學(xué)反應(yīng)的，所以我們只有知道了水的結(jié)構(gòu)之后，我們才能理解水在參與各種各樣化學(xué)反應(yīng)之中的作用，這一點(diǎn)是非常非常重要的。 但是化學(xué)家也通過他們的聰明才智合成了各種各樣的新的化學(xué)物質(zhì)，我這里邊舉的例子是一些比較有意思的化學(xué)物質(zhì)，比如這是一個(gè)叫做索烴的物質(zhì)，是兩個(gè)分子環(huán)兒鎖在一起： 這個(gè)分子的合成大家可以想象難度有多大，這個(gè)東西小到只有大概一到兩個(gè)納米，一個(gè)納米是10的負(fù)9次方的米，這么小的結(jié)構(gòu)能形成這樣的環(huán)兒，這是化學(xué)家動(dòng)了多少的腦子，但是這個(gè)東西說明我們的合成技術(shù)在飛躍式地在進(jìn)步，對微觀的操控越來越強(qiáng)。 大概在50年代的時(shí)候我們第一次合成出來這樣的分子，但是需要很長的鏈，而且靠隨機(jī)的方法，就是說我們要關(guān)環(huán)的反應(yīng)，在某一個(gè)隨機(jī)的事件兩個(gè)環(huán)會(huì)聚集在一起，形成這樣的一個(gè)索烴分子，但現(xiàn)在，依靠我們對分子間和分子間作用力的理解，我們可以先關(guān)一個(gè)環(huán)，然后另外一個(gè)環(huán)讓它固定在某一個(gè)位置，還是開環(huán)的，通過一個(gè)化學(xué)反應(yīng)把另外一個(gè)環(huán)關(guān)掉，這樣就可以大批量地來生產(chǎn)這樣的索烴。不光光是這樣簡單的分子，包括這樣的更復(fù)雜的有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的，叫做分子波羅米安鏈環(huán)的結(jié)構(gòu)： 那用這樣的東西來做什么呢？有的科學(xué)家也用類似的DNA的納米技術(shù)來做這種微觀尺度的器件，比如說他可以做像扇貝的一個(gè)器件，里邊裝了一種藥物，在扇貝的上面裝了一個(gè)分子，這個(gè)分子可以識(shí)別比如說癌細(xì)胞，那當(dāng)這個(gè)扇貝到達(dá)了這個(gè)癌細(xì)胞之后，這個(gè)扇貝就打開，把里邊的藥物釋放出來，殺死癌細(xì)胞。所以現(xiàn)在這個(gè)已經(jīng)被證實(shí)了，所以說我們現(xiàn)在在微觀的操控、利用自主裝的能力越來越強(qiáng)，我們對自主裝的理解也越來越深入，將來很可能在DNA納米技術(shù)或其他納米技術(shù)會(huì)有更多的突破。 說到這兒，不得不提到自然界的自組裝。大家看到這是兩個(gè)病毒的結(jié)構(gòu)，病毒這個(gè)詞一提到大家就會(huì)想到非常邪惡的表現(xiàn)，一般網(wǎng)絡(luò)上的圖像也會(huì)把病毒表現(xiàn)得非常的邪惡，但是實(shí)質(zhì)上病毒的結(jié)構(gòu)是非常非常美麗的結(jié)構(gòu)。 另外大家看到的這個(gè)是戴維的安全燈，當(dāng)時(shí)英國的采礦工業(yè)經(jīng)常發(fā)生事故，這個(gè)安全燈的出現(xiàn)雖然很簡單，原理也很簡單，就是因?yàn)橛幸粚咏饘俚木W(wǎng)可以快速地降溫，這樣達(dá)不到爆炸的溫度，但是這個(gè)拯救了當(dāng)時(shí)整個(gè)英國的采礦工業(yè)，非常非常重要。 然后另外大家看到的這個(gè)是有機(jī)物元素分析的一個(gè)裝置，這個(gè)是李比希的裝置，當(dāng)時(shí)它非常的小巧，而且操作非常簡單，精度非常高，當(dāng)時(shí)就把有機(jī)化學(xué)從一個(gè)非常強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗(yàn)性的變成一個(gè)很量化的學(xué)科，起到了至關(guān)重要的作用，而且它里面用來吸收二氧化碳的，大家看到有五個(gè)球的這個(gè)裝置叫做鉀堿球，也是非常重要的一個(gè)特色的裝置，如果大家這里有學(xué)化學(xué)的朋友可能會(huì)知道，如果上美國化學(xué)會(huì)網(wǎng)站的話，美國化學(xué)會(huì)的會(huì)標(biāo)Logo上就有這個(gè)鉀堿球的裝置。 我們收到了很多反饋，很多人，包括中學(xué)生、大學(xué)生、研究生都發(fā)信告訴我們很喜歡我們的項(xiàng)目，然后有家長發(fā)信感謝我們，甚至有家長給我們無償?shù)鼐杩盍?0萬元，這樣我們能制作化學(xué)史的這部分的內(nèi)容，但是最打動(dòng)我們的是這句話： 如果在中學(xué)就看到美麗化學(xué)，我的化學(xué)就不會(huì)那么糟糕了。 很多媒體也關(guān)注我們的項(xiàng)目，美國《赫芬頓郵報(bào)》的這句話我覺得很有代表性：這可能會(huì)讓你瘋狂地愛上化學(xué)。 為了讓更多人能喜歡上化學(xué)，我們現(xiàn)在也是費(fèi)了好多心思，我們準(zhǔn)備了兩本書籍，一個(gè)是《化學(xué)反應(yīng)》，一個(gè)是《化學(xué)結(jié)構(gòu)》。大家看到的這個(gè)像風(fēng)火輪的結(jié)構(gòu)，它叫做細(xì)胞凋亡復(fù)合體，是在細(xì)胞凋亡的過程中出現(xiàn)的一個(gè)很多蛋白質(zhì)的一個(gè)復(fù)合體，非常重要，細(xì)胞凋亡為什么很重要呢？因?yàn)槲覀兊募?xì)胞在不停地分裂，但細(xì)胞也在不停地死去，這是一個(gè)很正常的機(jī)理。我們?nèi)梭w的細(xì)胞大概每天有，大概500到700個(gè)億的細(xì)胞通過細(xì)胞凋亡的方式死去，所以這個(gè)復(fù)合體是非常重要的一個(gè)蛋白質(zhì)的復(fù)合體。 
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