化学家如何把小小的分子玩弄于股掌之上？
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导读
“我们的衣食住行与化学都有莫大联系。我们身边的塑料、钢铁、水泥、玻璃，还有我们日常必备的能源：汽油、电池，都离不开化学。” 今天特别分享中国科学院理化技术研究所研究员丛欢的演讲，看化学家如何玩转分子。
跳转阅读→化学加微信小程序，让化学品原材料搜索、询盘问价带来革命性便利！对于很多80后来说，动画片《蓝精灵》可能都看过，《蓝精灵》的主题歌也都会唱，动画片中的大反派格格巫跟他的猫天天在家鼓捣化学实验，他家里有齐备的设施和实验用品，有玻璃仪器、化学试剂、参考书、加热釜、试管，等等。
这个动画片里面不但坏人在做实验，好人也在做实验。
蓝精灵的家里，蓝爸爸也在查阅文献，试图做各种化学实验。 我不敢说这个动画片是多少人的化学启蒙，我也是长大了以后回头再看这个动画片，才发现这个动画片里有这么多化学知识。
正确使用化学可以造福人类
其实，对于很多并不了解化学，或者是通过大众媒体接触到化学的人来讲，提到化学这个词，更容易跟一些负面的词汇联系在一起，比如，有毒有害，化学听起来会比较可怕。
若干年前，中央电视台曾播放过一个化妆品广告，广告词就是“我们恨化学”，广告主要是想强调自己生产的化妆品健康无害，但这个广告词恰恰就是迎合了大众对于化学不了解而产生的惧怕心理。
但其实我们的衣食住行与化学都有莫大联系。我们身边的塑料、钢铁、水泥、玻璃，还有我们日常必备的能源：汽油、电池，都离不开化学。
随手拿起身边的一瓶饮料，看一下饮料瓶的成分表，可以看到这里面有很多看起来很吓人的化学名词，羧甲基纤维素钠、乳酸柠檬酸、柠檬酸钠、甜蜜素、安赛蜜、苯钾酸钠等。 如果我们不懂化学的话，会觉得自己喝了一瓶化学试剂。这些化学品确实就在我们身边，没有这些化学物质，我们无法拥有现在的生活质量。 这个老奶奶想必很多人都知道，她是国家科技元勋，也是科技界的英雄。屠呦呦凭借在中国取得的重要成果，成为第一位获得诺贝尔科学奖的大陆科学家。
她最重要的贡献，就是从很常见的蒿草中提取出非常小的分子——青蒿素，这个分子可以杀死导致疟疾的疟原虫，挽救了几百万、上千万人的生命。用这样一个小小的分子为大家造福，得到了一个世界顶尖的奖励，是当之无愧的。 我自己作为老师，身边有很多年轻的学生，他们和他们的家长都很关心一个问题：我自己或者我的小孩从事化学研究会不会影响寿命？有些化学物质毒性极强，会不会影响身体健康？
作为一个科研工作者，必须用事实说话，于是我在网上查了一组数据。过去三年间，中国科学院化学部一共损失了14位院士，可以看到其中最年轻的一位也有83岁，最高寿的是103岁。
与此相比，我国的人均寿命还不到80岁，这14位院士平均高寿超过了92岁。这些数据能够让人们心里踏实一下，我们学好化学，就知道怎样规避它的害处，而正确利用它的优势就可以为人类造福的。 我认为，研究化学好比驯服一只野兽，野兽的野性总是有的，而当我们正确了解了它的习性和脾气之后，就能够把它驯养在我们身边。事实上，我们的生活是离不开化学的，而且它还可以为生活质量的提高做出很大贡献。
碳元素是划分有机与无机化学的关键
我自己的研究领域是有机合成。有机化学和无机化学这两个名词，很多人都听说过，但实际上这是一个很古老的、错误的划分，只是现在保留了名字而已。
在几百年前，大部分人信仰神学且错误地认为所谓的有机和无机是以生命的有无来划分的，所以会把和生命有关的化学过程归为有机；和生命无关的，比如金木水火土这些没有生命的物质归为无机化学。
现在，有机和无机在大部分情况下是以含碳元素的情况来划分的，碳是元素周期表上的第六号元素，化学符号是C。
这个元素是元素周期表中，可以构成最多种不同分子的元素，同时也作为最基本的一个积木块，构建了我们身边各种各样的物质和有趣的世界。
碳元素的一个性质是它可以生成4个化学键，我们可以将化学键理解为手拉手，一个碳原子有4个手，可以跟其他4个不同的小伙伴拉手。 根据它不同的成键，就是拉手的状态，有的碳可以生成正四面体的样子，有的碳是平面的样子，还有的碳可以变成直线形。化学家还比较喜欢把6个平面的碳凑成一个圈，变成一个正六边形——这个化学的名词叫作苯。
听到这个名字可能会有点害怕，但是这些分子恰恰是构成包括我们自己的很多有机物必不可少的积木块，也是构建大千分子世界的分子单元。
有机化学到底干了些什么？
有机化学是一个相对比较年轻的传统学科，从诞生到现在还不到200年。时间倒推回19世纪中叶，这个化合物的名字中文叫硝酸甘油，现在很多人会随身带着硝酸甘油，它是治心脏病的一种救命的药。
100多年前，这个化合物刚刚被造出来，化学反应式的左边是甘油，它是有三个羟基的醇类的化合物，几乎所有的化妆品，还有很多食品当中都有这种化合物。 一个名叫诺贝尔的科学家，把甘油和硝酸、硫酸混到一起，就得到了硝酸甘油。 在那个时代，这个发明了不得，成就了一种非常优秀的炸药，所以，这个发明给诺贝尔带来了巨大的财富，这也成就了如今耳熟能详的诺贝尔奖。很多时候，有人谑称诺贝尔奖为炸药奖，也源于此。 时间过了50年，德国化学家把一种从柳树皮中提取的物质——水杨酸和一种名为醋酸酐的物质混在一起，于是得到了乙酰水杨酸，这个分子今天的名字叫阿司匹林。
从它诞生之日到今天为止，100多年过去了，这个药可以被称之为一种世纪神药，小到头疼脑热，大到癌症、心血管疾病，它都能治。 阿司匹林挽救了很多人的性命，也提高了很多病人的生活质量。可以看到，一个非常小的分子，一个非常简单的反应，可以改变我们的生活，也可以创造巨额财富。
接下来我们省略几万字，直接跳过将近一个世纪到1994年，经历这么长时间的发展，科学家可以合成的分子，从原来那么一点点，到现在这么“大”的一个，而且结构很复杂，这个分子的名字叫海葵毒素
直到1994年，经历这么长时间的发展，科学家可以合成的分子，从原来那么一点点，到现在这么“大”的一个，而且结构很复杂，这个分子的名字叫海葵毒素（Palytoxin）。
这个分子是人类迄今为止在自然界分离出来的结构最复杂的一种物质之一，也是最毒的一种物质，1克的量可以毒死10亿只小白鼠。
一般来讲，有毒的物质，用量非常非常少的话，往往是一种很好的药物，但是从自然界当中提取海葵毒素数量非常有限，因此有机化学家希望在实验室中合成出这个分子。
另外，这个分子的复杂程度，在当时被认为是几乎不可能完成的任务，如果有机化学家能通过实验的方法，人工在试管当中合成出这一物质，意味着挑战科学极限。
科学家们经过很长时间的努力，终于在1994年实现了这一突破，美国哈佛大学的化学家完成了这个分子的合成，代表着有机合成化学的一个里程碑。
我现在已经研究化学近20年，具备较好的化学基础，但我把这个结构式在纸上抄一遍都得将近20分钟，更何况我们要把这个复杂的物质合成出来，其复杂程度很难想象。
海葵毒素被人工合成出来以后，很多人一度认为合成化学已经从一门科学走向了一种指哪打哪的技术。也就是说，只要给我们足够的钱和人力、时间，那么再复杂的分子也可以把它合成出来。
合成化学家在过去很长一段时间的努力和成就，造就了本世纪以来的19次诺贝尔化学奖中有4次颁给了有机化学领域的合成化学家，有12位杰出的有机化学家获此殊荣。
站在巨人肩膀上仍然有很多问题有待我们解决。具体来讲，我们希望能够进一步创造新的分子，并能挖掘它的新功能，为人类所用。在我们更加重视环境、环保的今天，力求使化学和整个生产过程更加高效，更加绿色。
接下来讲讲我课题组最近合成的两个好玩的分子。
第一个例子，是今年我和同事合作发现的一种水下的胶水。胶水，日常生活中都用过，但我们一般是在空气中用的。
水作为一种非常好的溶剂，可以把很多常见的胶水溶解掉。很多胶水在空气中很好用，放到水下就不能起作用。
而这种胶水可以在水下黏合物体，这具有非常重要的实际用途，比如说外科手术、管道的修补、水下船舶的修复，都需要水下的胶水。
这种胶水另一个有意思的地方是可逆性，当我们把一束很强的光照上去的时候，原来不黏的胶水就会变得很黏；原本黏的状态下，如果我们把它加热到70℃，它又会变得不黏，因此，我们可以通过简单的外界的刺激调控这样的过程。
这是胶水的样子，跟我们日常用的胶水差不多，是一种比较黏稠的，类似透明牙膏的状态。
我们在有机玻璃片上开了4个孔，实验表明，在上面吊5千克的重物完全没有问题，说明这种胶水在水下可以实现非常好的黏接强度。
我们还试了不同的液体，看看是否都有效，比如海水，还有比较常见的饮料，如苏打水、雪碧、酒精，在这些液体中都可以实现有效的光和热响应的“黏”和“不黏”的调控。
这个图展示了在水下实际能够观测到的黏附过程。我们在玻璃棒的头上粘了一点胶水，在水下可以轻松粘起小光球，光照的条件下，在水下可以轻松粘起小钢球，粘上小球移动一定距离后，把水加热，它就会把这个球放下来。
我的工作单位理化技术研究所的一个特色研究方向是光化学，刚才这个例子讲的是我们如何利用光来实现分子的功能，下一个例子会介绍分子有怎样的发光性质。
这个分子结构中有两个大环，形状非常像一个领结，所以把它叫做分子领结。
这个图不是我们手绘的，而是用X射线单晶衍射的手段获得的，可以真真切切看到这个分子当中每一个原子的位置。
这实际上是一个分子的照片，所以可以看清一个分子到底长什么样子。尽管在图上看起来很大，实际上它的边长只有2纳米。
我们研究的分子是非常非常微小的存在，但是它可以为我们做很多事情。 这个分子有多小呢？这是一张地球绕太阳轨道的图片，这个轨道的周长是109千米。
我们只需要1.5克，里面所含有的分子领结，就可以首尾排列绕整个地球绕太阳轨道一周。
这个分子有什么好玩的地方呢？日常的领结有各种颜色很好看，这个分子领结可以在不同的状态下发不同颜色的光。
当它整齐排列的时候，比如说晶体状态的时候，是发蓝光的，当这个分子杂乱无章、比较混乱时，比如它溶解到某一种溶剂当中的时候就发黄光。
我们都看过国庆阅兵，感觉非常的震憾，是因为解放军战士们排得特别整齐，一个方阵过来，每个人看起来几乎一模一样。
化学家也非常喜欢这样排列整齐的状态。这是分子领结的蓝色菱形晶体中非常小的一块放大了很多很多倍以后呈现出来的样子，我们能够看到这里面每一个分子领结排列的状态。
这个图再放大一点点，就可以看到领结形的分子展现出非常有序的左右两排V字形的排列，我们管它叫鱼骨型排列。正是这样的有序排列，使得这个分子能够在这样的状态下发蓝光。
当我们把这个分子溶解在一定的溶液中时，随着时间的推移，可以看到颜色的变化。这是快进播放的一个5分钟的视频，溶液由黄色变为非常漂亮的蓝色。因为溶液已经达到了饱和，所以有序排列的晶体随着时间的推移就生成了。
这就是通过给这个分子一定的外界刺激，来实现这样的性质的变化。
这是一个发光从黄变蓝，也就是从无序到有序的过程，如果我们把过程逆转过来，使分子排列从有序变到无序，这个分子的发光就会变回去。
具体做法很简单，我们都见过厨房里捣蒜的臼，把蓝色荧光的有序的晶体放进去，研磨每隔一段时间拍一张照片。
可以看到，我们怎么研磨也磨不到黄色的状态，到最后是绿色的荧光。
接下来，我们把滤纸浸泡在分子领结的溶液中，将滤纸从里面捞出来，晾干后就得到了可以发蓝光的一张纸，意味着其中的分子领结是有序排列的。
像此前一样，我们通过施加一个外力，相当于把原本搭建得非常漂亮的积木城堡推倒，撒了一地。这个外力让原来有序排布的分子变得杂乱无章。
如何给它施加一个外力呢？对于一张纸，一个好玩的办法是用老式的针式打印机，我们把墨盒取掉，在电脑上输入什么样的图案，就可以通过打印机的针的撞击，在滤纸上打印这些图案。
接下来，再用有机溶剂进行熏蒸，分子又可以自发变回有序的状态，实现一个可擦写、发光变色的滤纸。
我到理化所工作已经4年多了，我的课题组也是随着时间的推移不断发展壮大。
前面讲的这两个很有趣的分子，都是由我的学生们做出来的，感谢他们。
很高兴能给分享化学，分享分子的世界，希望更多的人喜欢上化学。
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