梁琰中国科学技术大学科技传播与科技政策系特任副研究员,“美丽化学”项目负责人,项目作者、摄影、科学可视化指导,2014年9月,美丽化学网站上线,一个月内点击超过200万,得到“探索频道”和《时代周刊》官网推荐。

美丽化学

2015-12-17北京
鸡蛋壳与盐酸反应生成二氧化碳,氯化钴在硅酸钠溶液中的渗透压生长,美丽化学(BeautifulChemistry) 拍摄那些肉眼看来只是浑浊或变色的化学反应。
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美丽化学

梁琰 2015-12-17

由中国科学技术大学和清华大学出版社联合制作的一个项目,叫美丽化学的一段视频。


我是中国科学技术大学的梁琰,很高兴今天跟大家分享美丽化学的东西,我也是这个项目的项目负责人,也是项目的作者、摄影,加上科学可视化指导。大家看到这个图片是我们新的网站,如果大家之前上过我们现在的网站的话,这是我们马上要更新的新的版本。


我们经常收到的一个问题就是,为什么要做美丽化学的这样一个项目?其实答案很简单,因为化学非常非常美丽。从我个人的经历来讲,我是清华大学化学专业的本科和硕士,然后之后到美国的明尼苏达学了一个材料学的博士,所以,经过这么十多年的学习,我越发觉得化学非常非常的美丽,所以希望把自己对化学的热爱分享给更多的人。


那么如何来展现化学这种美丽呢?我特别喜欢摄影,而且我还特别喜欢在实验室里拍东西,大家看到的这个是在哈佛大学的Markus Greiner的实验室里边,拍摄的是用光学来控制超冷原子的实验装置,右边这幅是在中国科学院的金属研究所,在李峰教授的实验室里拍的他生产碳纳米管和测试他们的电池的装置,他们把电池做成一个一个的纽扣电池,然后再在这样的夹子上面批量地进行测试。所以我在想,我之前没有去拍过化学反应,但我觉得通过特殊的这种摄影的手法去拍摄这些化学反应的话,一定能收到特别好的效果,所以这样就解决了宏观的一个问题,我们来拍摄化学反应。另外呢化学有很多微观的东西,我们怎么呈现这些微观的、拍摄不到的、看不到的东西呢?


我是98年的时候大学入学,那时候第一次接触电脑,当时就迷上了电脑的图形图像的各种各样软件,包括当时的动画啊游戏啊还有影视特效,都跟这些电脑图像非常相关,所以这是我的一个爱好,那一直到博士毕业之后一直在维持这个爱好。毕业之后很有幸到波士顿的一家公司叫做Digizyme,去做了一个科学动画师,去做这些科学可视化方面的工作,之后又成为了一名自由职业者,我自由职业者的工作就是给世界各地的科学家来服务,给他们来做这种既能表现他们科研内容,又能展现他们科研的这种给科研带来一些视觉冲击力的图片,包括这两张是我做的图像,分别发表在《自然》的《光子学》和《自然》的《材料学》的杂志上。


所以这样的话就很确定,我们对于这种看不见的、微观的纳米级别,甚至比纳米级别更小的化学结构,我们可以通过电脑图像的手段来给它展现,下面的话我们来看一看我们怎么来展现这些化学。


这个是所有的中学生在学习化学的时候最头疼的一个东西,就是这些东西都是化学方程式,这些东西是要背的,是很枯燥的,但是我觉得这是看似枯燥的化学方程式,这些都是金属的置换反应是吧,锌置换银,锌置换铜和锌置换铅,这些反应原理其实很简单,但是很枯燥,这个东西看起来的话就是要背,很多人对化学的感觉大概就是这样,要背好多好多的东西。


但是我们来看一看这些方程式背后到底是什么样的一个图像。这是第一个反应,置换银的反应,在硝酸银溶液中,因为银很重,所以大家看到这个生长出来的银树都在往下走,因为重力的作用。


这是置换铜的反应。


这是置换铅的反应。


在这里大家看到有很多气泡,而且这些气泡不动是因为我们是在一个硅胶里面进行的一个反应,这样硅胶可以支撑这些铅树的重量,所以大家看到这个铅树不会倒下去,跟刚才银不太一样。好,这是一段,我们再看第二段,第二段更简单,就是沉淀反应,在讲离子反应的时候或者讲鉴别离子的时候,经常要做各种各样的沉淀反应,但基本上就是说,拿来一个试管,我滴进去,摇一摇变成浑浊了,可能就是沉淀反应了,但其实在我们的拍摄中,沉淀反应是什么样子的呢,大家来看一看,硝酸银跟氯化钠生成氯化银的反应,在我们拍摄之前我们很难想象这些反应大概是个什么样子,所以我们在拍摄的过程其实是发现的一个过程,而且每个反应都有自己独特的个性,这也是高中或初中经常接触的生成硫酸钡的一个反应,经常要考这两个离子是不是能共存对吧,这个反应可能高中的时候不多见。


这是生成铬酸银的一个反应,所以大家看每个反应都有不同的自己的personality,不同的个性。


说到这儿要感谢两位参与这个项目的陶先刚老师跟黄微老师,都是中科大的老师,他们有非常多的这方面教学的经验,使我们在很短的时间内能完成大量的反应,都是这两位老师的贡献。


我们经常也会收到各种各样的问题,你们到底用什么样的装置来拍摄这些东西啊?所以这里边也给大家展示一下,我们其实用的都是很普通的一些设备,当时因为松下的GH4相机刚刚出来,它是一个非常好的、性价比非常高的,可以拍摄4K视频的相机,所以我们用的是这个相机,我们用的是一个微距镜头,这样的话可以把距离拉得很近,大家感觉放得好大的感觉其实就是一个百微,加上一个国产的也好或者是国外的一个转接环就可以了。但是拍摄的容器,因为我们拍的大部分都是在溶液里发生的反应,这块还是有一些重要的点要跟大家说一下,平时这样的化学反应,大家可以在网上看到很多视频,基本上要么是在烧杯、试管或者是烧瓶里进行的,那这种圆形的或者是圆柱形的容器的话,因为水在里面,大家可以拿出一瓶,比如说大家现在有矿泉水,拿出来看一看,手放在后面的话手就会变形,它有一个水的折射问题,另外,这种圆形或圆柱形经常会有高光反射,产生一些视觉干扰,所以我们用的是这种比色皿,大家可以理解成微型的这种鱼缸,用这样东西来拍摄的时候,就真正把变形、光影的干扰都给去掉了,所以我们看到的是化学反应本身的东西,所以这很重要。


另外现在我们也开始在显微镜下拍摄东西。这个实验我们是怎么拍的呢?两个液滴,先滴一个液滴在玻璃板上,然后滴另外一个液滴,当然一个是硝酸银,另外一个是氯化钠,在第二个液滴逐渐扩大的过程中,最后总有一瞬间两个液滴会碰到一起,这样发生沉淀反应。让我们再看看显微镜下这个反应是什么样子的,这跟两个溶液的浓度有关系,产生了这样的一个渗透压,所以大家看到很奇怪的各种各样的现象,我们刚刚开始这部分的制作,新的内容也会公布在我们新的网站上。


说完了化学反应,我们来看一看微观的化学结构。大家看到这是绿宝石,其实更准确地说应该是,一块祖母绿在微观下的结构,这些宝石宏观都是很吸引人的,大家都去追求它,花高价去买它,它在微观下也是非常非常美丽的。我本人因为学过材料方面,经常会学习各种各样的晶体结构,我对这种非常有对称性的结构是非常喜欢的。


这个是红宝石的结构,红宝石其实就是三氧化二铝,之所以呈现红色是因为它里面混有少量的铬离子,如果混有其他的离子也可以成为蓝色,变成蓝宝石,但实质上来说它都是三氧化二铝。各位观众如果用的是iPhone的话,你的手机上的镜头保护膜其实也是三氧化二铝,刚玉(三氧化二铝的别称)。


这个是更普通的我们每天都摄取的食盐的结构,这个可能在高中的时候大家都知道要学,钠原子把一个电子给了氯离子所以带了一个正价,这边是一个负价,所以反正他们是一比一的,这样的一个结构,但这个结构如果在高压下会变成什么样子呢?


这是在高压下,在非常高的压强下它不再是一比一的结构,会可能一比三,一比七或者三比一的这样一个结构,这是科学家最近在前两年的时候通过计算推测出来的,而且通过实验也验证出来了一些真正的这样可以存在的一些结构,我们对化合价的性质的认识也正在发生一些转变。


包括这是干冰的结构,二氧化碳的气体,但是在很低的温度下也能形成这么很规整的结构,舞台上咱们今天没有造雾之类的东西,造雾的时候经常要用到干冰的。


然后这是水的结构,水的结构非常非常重要,也是现在目前研究的一个热点。大家看到这个蓝色的东西呢,白色的是氢原子,灰色的是氧原子,那蓝色的水分子和水分子形成的氢键,氢键形成了这样三维的动态的网格结构,这是非常动态的一个结构,一瞬间有无数的氢键在断裂,有新的氢键在生成。为什么要研究这些氢键的网格结构呢?因为水在生命的过程中是非常重要的分子,它不仅仅是一个溶剂的作用,我们在细胞内部发生的无数的化学反应,有很多很多的化学反应都是跟水相关的,而且水是参与化学反应的,所以我们只有知道了水的结构之后,我们才能理解水在参与各种各样化学反应之中的作用,这一点是非常非常重要的。


但是化学家也通过他们的聪明才智合成了各种各样的新的化学物质,我这里边举的例子是一些比较有意思的化学物质,比如这是一个叫做索烃的物质,是两个分子环儿相当于锁在一起,这个分子的合成大家可以想象难度有多大,这个东西小到只有大概一到两个纳米,一个纳米是10的负9次方的米,这么小的结构能形成这样的环儿,这是化学家动了多少的脑子,但是这个东西说明我们合成的技术在飞跃式地在进步,对微观的操控越来越强。大概在50年代的时候我们第一次合成出来这样的分子,但是需要很长的链,而且靠随机的方法,就是说我们要关环的反应,在某一个随机的事件两个环会聚集在一起,形成这样的一个索烃分子,但现在,依靠我们对分子间和分子间作用力的理解,我们可以先关一个环,然后另外一个环让它固定在某一个位置,还是开环的,通过一个化学反应把另外一个环关掉,这样就可以大批量地来生产这样的索烃,不光光是这样简单的分子,包括这样的更复杂的有拓扑结构的,叫做分子波罗米安链环的这样的结构。


化学家跟数学家一样,他们在解特别难的题,他们的题就是,我要合成出来这么复杂的分子,包括这个五叶结分子,下面给大家展示的是一个DNA的双螺旋结构,这个结构大家很熟悉,我们的遗传信息都蕴含在DNA分子当中,但对于化学家来说呢,他运用碱基对的互配原理,通过各种各样的巧妙的设计,可以实现各种非常非常微小的,而且非常精妙的结构。比如这个DNA的纳米飞船,这个是怎么做的呢,通过碱基对互配的原理,他们设计了大概有200多个DNA的单链,然后把它混到一个溶剂里面去煮一煮,混到水里就可以了,然后这样就自主装成了一个宇宙飞船的样子,非常非常的奇妙。


那用这样的东西来做什么呢?有的科学家也用类似的DNA的纳米技术来做这种微观尺度的器件,比如说他可以做像扇贝的一个器件,里边装了一种药物,在扇贝的上面装了一个分子,这个分子可以识别比如说癌细胞,那当这个扇贝到达了这个癌细胞之后,这个扇贝就打开,把里边的药物释放出来,杀死癌细胞。所以现在这个已经被证实了,所以说我们现在在微观的操控 利用自主装的能力越来越强,我们对自主装的理解也越来越深入,将来很可能在这方面的话,在DNA纳米技术或其他纳米技术会有更多的突破。


说到这儿,不得不提到自然界的自主装。大家看到这是两个病毒的结构,病毒这个词一提到大家就会想到非常邪恶的表现,一般网络上的图像也会把病毒表现得非常的邪恶,但是实质上病毒的结构是非常非常美丽的结构。另外化学史也是我们非常关心的一个环节,我觉得公众想理解化学或者了解化学的话,化学史非常非常重要,一般来讲化学史的叙述是从科学家的角度来进行的,我们也是从这个角度来进行,大体上我们选了12位科学家,这里面显示了两位,波义耳和法拉第可能是大家比较熟悉的,但大家熟悉可能都是从物理角度去熟悉这两位科学家,因为波义耳定律是关于气体的定律,在物理课上学到,法拉第的话可能是学他的电磁感应的时候了解到法拉第,但是其实这两位科学家都是非常重要的化学家,波义耳在化学成为一门科学之前就做出了非常大的贡献,法拉第在电化学方面做出了非常突出的贡献,他提出了法拉第电解第一定律、电解第二定律,完善了我们对电化学的理解。


这两幅图是我的一个朋友陈磊画的,那我们选择什么样的角度跟别人不一样,来展现我们化学史的美丽,展现出我们的视觉的重要性呢?我们选择的是他们使用的仪器的角度。大家在左边这幅图,看到是在1660年,在波义耳著作里的一幅插图,但是光有这幅插图还不够,我们真的去找到了他当时的著作,仔细去阅读了他里面对这个仪器的描述,现在这些东西也都在网络上可以找到,所以根据我们的研究调研,包括他原始的图片,我们用CG的技术,这不是照片,这是用很高端的CG的技术,这是上海映数跟我们的合作,来复原出这样的装置,这也是可能现在的年轻人更喜欢的一个方式,因为他们整天接触的游戏动漫,可能对这些更喜欢,所以我们用他们比较熟悉的方式,把这个仪器严谨地展现出来。


这仪器它在化学史上有什么作用呢,我们也会有相应的讲解,比如这个仪器,当时对于燃烧的理解在1660年还停留在四元素说:水 火 土 气,燃烧的过程,波义耳当时认为是一种气释放的过程,那如果我在真空状态下把气抽走了,那燃烧其实应该更猛烈,但实际上他把蜡烛放进去之后,抽到真空,发现燃烧停止了,燃烧不能在真空状态下进行,这个时候就证明空气对燃烧来讲是非常必要的一个物质,这样的话他也是在第一次揭示了,因为大气燃烧的整个过程,是化学史非常重要的一个过程,所以这是非常重要的一个实验。


另外大家看到的这个是戴维的安全灯,当时英国的采矿工业经常发生事故,这个安全灯的出现虽然很简单,原理也很简单,就是因为有一层金属的网可以快速地降温,这样达不到爆炸的温度,但是这个拯救了当时整个英国的采矿工业,非常非常重要。大家看到另外一边是伏打电堆,我们现在的手机可以非常...当然电池还是一个问题,但这是第一次我们有了一个持续放电的电池,之前还必须得靠摩擦,一边摇着一边才能有持续的电流,这是第一个可以靠化学的方法持续供电的电池,有了它之后戴维用这个装置发现了两个新元素,非常活泼的金属钠和金属钾。


然后大家看到的是卡文迪许的,用来把氢气和氧气混合在里边,通过这两个端点引入两个电极,通过电极打火的方式让它们产生爆炸,爆炸想得到的结果是验证水的比例,氢跟氧的比例,他特别精准地推算出氢和氧的比例是2.02:1,这在那个年代,1784年,是非常了不起的一个实验,然后另外大家看到的这个是有机物元素分析的一个装置,这个是李比希的装置,当时它非常的小巧,而且操作非常简单,精度非常高,当时就把有机化学从一个非常强调经验性的变成一个很量化的学科起到了至关重要的作用,而且它里面用来吸收二氧化碳的,大家看到有五个球的这个装置叫做钾碱球,也是非常重要的一个特色的装置,如果大家这里有学化学的朋友可能会知道,如果上美国化学会网站的话,美国化学会的会标Logo上就有这个钾碱球的装置。


我们收到了很多反馈,很多人,包括中学生、大学生、研究生都发信告诉我们很喜欢我们的项目,然后有家长发信感谢我们,甚至有家长给我们无偿地捐款了10万元,这样我们能制作化学史的这部分的内容,但是最打动我们的是这句话,如果在高中的时候或者在中学的时候就看到美丽化学,我的化学可能就不会这么糟糕了。


很多媒体也关注我们的项目,这句话我觉得很有代表性:这可能会让你疯狂地爱上化学。为了让更多人能喜欢上化学,我们现在也是费了好多心思,我们准备了两本书籍,一个是《化学反应》,一个是《化学结构》,大家看到的这个像风火轮的结构,它叫做细胞凋亡复合体,是在细胞凋亡的过程中出现的一个很多蛋白质的一个复合体,非常重要,细胞凋亡为什么很重要呢?因为我们的细胞在不停地分裂,但细胞也在不停地死去,这是一个很正常的机理。我们人体的细胞大概每天有,大概500到700个亿的细胞通过细胞凋亡的方式死去,所以这个复合体是非常重要的一个蛋白质的复合体。


最后呢,我们想继续来做这件事情,我们成立了一家新的公司叫新知数媒,我们想通过美丽化学的形式回归到教育最本源的两个基本点,一个是激发求知欲,让孩子们爱学习,另外一个是提高学生的学习效率,让他们会学习,我们也希望能真正地为中国的科学教育做出我们自己的一点点贡献。谢谢大家。