清華大學化學博士、科普作家孫亞飛帶來演講【化學的無限可能——從實驗室到日常生活】
2024 年 6 月 21 日，科普中國·星空講壇以「科學報國正當時」為主題，邀請五位不同專業領域的專家學者，從不同領域、角度闡釋如何從自身興趣和職業規劃出發，結合國家和社會的需求做出未來選擇。
以下是孫亞飛的演講節選：
我學了很多年化學。
高中起，我就參加化學競賽，運氣還不錯，保送到北京大學，在北大化學系待了 4 年。
畢業後，我在一家工廠擔任研發工程師，也是在那裏，看到和學到了很多和實驗室裏不一樣的東西，之後就走上了科普的道路。
從事科普工作的過程中，我又發現：好像僅有一些化學知識還是不夠，於是回爐深造，到清華大學化學系讀了博士。
算算看，從高中到現在，我已經在化學實驗室裏面泡了挺長的時間。那麽，在實驗室裏，我們一般會做什麽？
這些實驗室的「黑話」是什麽意思？
在實驗室裏，我們常提到幾個「黑話」：過柱子、打核磁、測電鏡還有洗瓶子。
它們分別是什麽意思？
過柱子
過柱子是化學實驗裏面非常重要的一個過程。
所有的化學反應過程中，都不會只得到某種單一產物，而是很多產物混合在一起，所以需要對這些產物進行分離。
在化學實驗室裏，每次反應進行完，首先要做的，就是把其中我們想要的產物分離出來，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幹上一天的時間，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，拿到了分離的產物，那怎麽確認它到底是不是我們想要的那種呢？
這就需要打核磁。它的原理其實和醫院裏的核磁共振一樣，不過，實驗室裏這個核磁更小巧一些，一般是針對毫克級的樣品進行檢測。透過核磁共振的檢測，我們就可以驗證這個分離出的產物是不是就是我們想要的那個東西，確定下這個結果。
測電鏡
但是，有了這個結果，可能還不夠。因為這個物質的純度可能還不夠高，那怎麽辦呢？
對於純度不高的物質，我們需要提純，提純後讓它長出晶體，最好是長成一個叫單晶的東西。長完之後，我們就要在電子顯微鏡下面進行測定，也就是「測電鏡」。
洗瓶子
洗瓶子其實也是化學實驗室裏非常重要的動作。
如果瓶子沒洗幹凈，留下一些雜質，就很可能導致後面的化學反應失敗。但有的時候，瓶子洗得太幹凈也不行，比如前面說，測電鏡找單晶，可有時候瓶子洗得太幹凈，單晶卻會長不出來。
所以，你看，化學實驗室裏的每個行為，其實背後都是有學問的。
化學實驗室裏的無限可能性
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果——那我們為什麽還需要做這些實驗？
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 個碳原子去構成的球形分子。這個分子是怎麽被發現的呢？
富勒烯分子，看起來像個足球| 圖蟲創意
兩百多年前，人類就已經在想辦法去探測太陽或者更遠的地方有什麽化學物質。比如，宇宙中那些「黑」的地方，裏面是什麽？化學家也想知道，於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 50 年代，就有一些太空裏面的分子被查出來了，但是，它們的光譜打出來之後，科學家發現，在地球上找不到一模一樣的光譜，這就說明，太空裏的這些分子是人類到目前為止還不認識的。
其中一個，就是富勒烯的光譜。當時，我們還不知道它是長成這樣。化學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，有一個化學家突發奇想，用一些電弧的方法，就做出了這樣一個東西，然後拿去檢測，就發現：這不是由碳原子構成的一個純單質嘛，而且是 60 個碳，像足球一樣的完整分子。後來，這位化學家也因為這項工作獲得了 1996 年的諾貝爾化學獎。
化學實驗雖然確實枯燥，可能需要一代人甚至幾代人去做實驗和驗證，但是，當我們發現它的時候，你就會覺得：原來這個自然世界如此有意思。
當然，後來科學家又發現，這個碳 60 其實也沒有那麽難獲取，你在家裏面哪怕點一根蠟燭，燒出的碳灰裏就能找到這個分子，聽起來也有點像「驀然回首，那人卻在燈火闌珊處」。
確實，化學發現經常是在不經意間發生的。
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，石墨烯疊起來之後是石墨，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麽厚。
但是在二十年前，有一位叫安德烈·海姆的科學家，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，會把一些物質從中間給它撕開，那麽，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，但他最後還真的做成了，將石墨做成了單層的石墨烯。
化學給我們的生活帶來了什麽？
化學實驗室裏有很多和我們生活密切相關的事情。
比如電動汽車裏都會用到的鋰離子電池。現在，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。後來，鋰離子電池出現了。鋰離子電池的厲害在哪裏呢？以前電池在充電的時候會有個記憶效應，如果沒有把電用完立即就去充電，那麽電池就會記住這個電量，以後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，而是在每次反應完了之後都把電量用完，然後再充進去。
還有像醫院裏用的註射器，也需要很多化學知識才能生產出來。藥品跟化學就更相關了，比如我們熟悉的阿司匹林，化學專業的學生上有機化學的第一個實驗一般就是制作阿司匹林，它是非常經典的用化學方法合成的一種藥物。
再比如，加工芯片需要用光刻機或是高純度的矽片，這些物質和加工的工藝，同樣需要化學支撐，化學工藝足夠發達，才有可能生產出純度為 99.9999999999%的高純矽（9 的數位要達到 12 個），如果達不到這個水平，電腦在運算的時候就容易出 bug。還有光刻機裏要用到的光刻膠，也要透過化學方法，才能合成我們做芯片所需要程度的光刻膠。
未來，化學還可以做什麽？
未來，化學能做的事情更多。
比如，AI 相關的技術，需要用到芯片，還需要很多演算法，還要用到一些傳感器，這些傳感器也需要透過化學方法合成。比如觸覺，怎麽才能傳遞到人體呢？當然需要我們先把人體自己的化學機制弄清楚，再去找到相應的材料，再把觸覺模擬出來。
還有我們會擔心水汙染和空氣汙染，但實際上，透過新的化學知識，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，北京的空氣品質越來越好，其中就離不開很多化學家的貢獻。
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，而且它們燃燒產生的二氧化碳，也會帶來溫室瓦斯效應。那怎麽辦呢？這就需要利用一些新能源，比如太陽能、水電或者風能。要發展這些能源，就需要用到很多化學知識，因為需要加工很多材料，比如風電，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
稽核丨穆雲松 中國人民大學化學與生命資源學院環境科學與工程系主任、副教授
責編丨楊楊
