周其凤化学是你 周其凤院士:有一点点灵气才能搞化学
[李静海]:下面进行第二项活动,科学与中国国际化学年大学校长巡讲团报告会。这是由中国科学院与中共中央宣传部教育部、科技部、中国工程院和中国科学院学会等6家单位共同举办的高层次科普活动,巡讲团活动于2002年12月正式启动,活动旨在普及科学知识、弘扬科学精神,希望巡讲团向公众宣传科学知识和科学文化理念,在公众中形成共鸣,让科学亲近公众,让公众理解科学,支持科学,投身科学。
今年国际化学年科学巡讲团将组织多场,主要有各大学化学专业的校长、院长领先,在全国几个城市巡讲,今天是第一讲,我们十分荣幸请到北京大学校长周其凤院士和中国科学技术大学侯建国院士为大家做科普报告,首先欢迎周其凤院士做报告——《入化出神》。
[周其凤]:同学们好!今天见到来了这么多同学,会场坐的满满的,还挺紧张的。主要是我本来化学就学得不太好,我又做行政工作的时间也比较长了,所以化学离我有点好象越来越远。
我特别感谢组委会安排我做第一个报告。平时大家看节目,都是在序曲可以差一点,演员差一点,越到后面越精彩。
我们上语文课的时候有一个词叫做“出神入化”,作为搞化学的我有自己的一点解释,就是你要入到化学这个领域要有点灵气,所以要出神,有一点一点灵气才能搞化学,这个可能没错,但是我今天反过来说“入画出神”。从教育的角度说,你要将来真正不错,有点灵气,恐怕如果受一点化学的熏陶是很好的,所以欢迎大家来学化学,经过学习化学对你会有很好的锻炼,所以我就用了这样一个题目。
刚才主持人说了,今年是国际化学年,国际化学年主题是“我们的生活,我们的未来”。大家都知道,化学是一门核心的科学,同时又很实用,又充满着创造性,它是发现和创造新物质,并且在原子、分子及分子以上层次来研究物质变化和化学反应的科学,这是对于化学的一个理解。
当然化学科学的核心部分,有机化学、物理化学、分析化学、高分子科学化学等一些内容,化学科学与生命、材料、能源、环境、信息等科学不断的交叉,就衍生出了很多分支的学科,像化学生物学、材料化学、环境化学、原料化学、放射化学等等,最近大家比较关注的是放射化学的问题。
放射化学这个学科也是非常重要的,核原料本身就是要用化学方法才能得到,而且包括里面其他的像燃料棒等等都需要化学在里面发挥作用,所以放射化学现在就变得非常的重要。
这次国际化学年在中国还有一个活动,就是征集化学之歌。这个题目是我自己提出来的,所以我要带一个头,歌名是《化学是你,化学是我》:“有少年问我,化学究竟是什么,我说化学就是你,化学就是我;父母生下你我是化学过程的结果,你我的消化系统是化学过程的场所,记忆和思维活动要化学过程来描述,就是你我的喜怒哀乐也无非化学物质的神出鬼没。
哦,化学,你原来如此神奇,却怎么还有人把你瞧不上眼,哦,没有关系,我将继续努力及为人类贡献一个更加美好的绿色明天;有少年问我,化学究竟为什么?我说:化学为了你,化学为了我,你要温暖,我要漂亮,化学为我们提供舒心的衣装,你要喝好,我要吃饱,化学为我们提供丰富的营养,你要飞天,我要探地,化学为我们提供充足的动力……”
因为我们有一点一点追求,就是绿色化学,所以我是这样写的。我把这个歌词送给一个行家,他说你写的不好,他就改成了这样,比较符合歌词,也更加押韵一点。今天我给大家报告完全是抛砖引玉,因为我们讨论国际化学年的时候,我提出来我们是不是可以征集歌曲,我就带了这个头,我希望大家能够响应科学化学部和中国化学会的号召,大家来创作化学的歌曲。
现在这个作为一个“砖头”,我希望今后大家能够更多的来参与,特别是我们的同学们发挥你们的聪明才智。
下面我结合我自己了解的一些情况做个介绍。因为我主要是学高分子化学的,所以主要介绍这个方面。
大家都知道,药物可以为健康保驾护航,比如大家都熟悉的阿司匹林。这个东西是非常神奇的东西,它能够对我们的健康有很多的帮助。医药是化学发挥作用的非常重要的场所。
还有服务于信息技术的化学。以液晶显示为例,大家都有手机或者是家里有液晶显示电视或者电脑等,化学在这里起到的作用非常大。有一种非常听话的分子,加一个电场可以驱动它,让它站起来或者是摔下去,通过化学家的设计和合成,做成配方来进行应用,这样就发挥了它的显示作用。这是化学在信息科技里的一个例子。
现在大家特别关心我们生存环境的问题,我这里也举一个例子,是服务于环境保护的化学。以燃料电池为例,电池就是用化学家合成的材料。这个电池主要的组件是以高分子的材料来做的,要用到多孔的聚合物,也要用到作为离子导体的聚合物等等,这是在做燃料电池方面一个简单的例子。
通过这几个例子来告诉大家,化学在各个领域都可以充分发挥它的作用。
以高分子为例,曾经有一个家庭做一个演示,就是请他们把家里凡是由高分子做的东西拿出来,看看他们家里还剩下什么东西。从家里衣服到小孩的玩具,到厨房的器具,到电视、微波炉等等都得搬出来,主人觉得他们自己也得出来,要不然他们就得脱光了,所以他们也就都出来了。
当然这只是化学家通过化学的方法合成出来的材料,因为我们人体自身也有由化学物质天然的高分子材料在里面发挥作用。由此可以看到化学家和高分子材料在我们的生活里所起的作用。
这是高分子材料主要的用途,比如用在包装、家具、交通、电器等等,全球高分子材料总的产量是超过两亿吨的规模。
这是一个很方便的方面,大家为什么喜欢高分子材料,就是拿塑料的包装来做比较,塑料的包装要方便很多,纸也是天然的高分子材料,这是天然高分子材料和合成高分子材料的比较。
另外有一个表格说明用化学合成高分子材料可以比钢铁还要强,大家都知道炼钢的过程也包含着化学的过程,因为化学合成的高分子一般都是有机的物质,它不仅仅可以做很柔软的轮胎、包装的薄膜,同样可以拿来非常好的材料,比钢还强的高分子。我这个片是很老的片子,就是现在合成高分子材料的性质比这个还要好很多。
图中蓝色部分是无机的材料,其中包括钢丝,用钢做的纤维它的力学性能,它的强度,它的身长,其他的都是人工合成高分子的材料,它的性能比用钢做的纤维要好的多。我们在座的杨玉良教授在这方面有巨大的贡献,大家如果有问题的话一会还可以问他,因为他一会要主持下面的讨论,有什么问题可以请他回答。
化学进步靠很多的需求,我这里讲的是市场推手,化学进步首先很重要的是科学家们的兴趣,这是非常重要的。市场的需求,比如现在特别需要减少化学燃料的使用,另外要环境友好,而且在医学方面也要降低成本,另外提高这些化学品高分子材料,化学品的性能,当然要特别考虑它的价格等这些方面。
以高分子为例,这里有一个片子,可以把它看作是几代的高分子。最底下很大的一块是通用高分子,通用高分子相对的它的知识含量比较低一点,所以它的性能也差一些,它市场的价钱也就比较低;在这个基础上,发展出的工程应用的材料,工程的高分子材料,它所含的知识含量也更高,当然它的市场价格也更高。
最后是特种高分子,特种高分子是指各种各样有特别性能能够满足各种特殊需要的高性能的高分子材料,它的知识含量是更高,它在市场的价格当然也更高。
要使得高分子有更好的发展,得到性能更好的材料,毫无疑问,需要各个学科的配合,高分子本身是化学一个分支,它需要跟化学其他的学科有交叉,但是同时也需要跟生命科学、信息科学、纳米科学等等交叉,才能够进一步的推动高分子科学的发展,能够置备出符合日益增长需要的高分子的材料。
因为现在大家都特别关心纳米材料,这个片子就是化学跟纳米科学结合的一个例子,从原理上可以给同学们一个基本的概念。这是用一个化学气象的方法,把原料加入炉子里,通过升温,通过有一个模具,比如由铝做的模板,通过这样就可以得到纳米高分子材料。
高分子材料是可以跟纳米科技方法结合起来,事实上高分子本身对于纳米科技的发展是起了作用,因为高分子本身在分项的过程里,它往往是在纳米级的水平上,所以高分子本身也可以做有些纳米材料的模板。 当然,高分子同时跟纳米科技的结合可以置备出各种纳米级高分子的材料。
这是一个例子,就是做成场致发射,这是一个导电的纳米高分子材料,利用它的发射效应来制成场致发射器件。还可以做得更复杂一点,在纳米材料里比如金纳米,可以有高分子导电的性质,通过这种用在场发射或者是其他器件里的性能。这个例子是怎么样把金的纳米颗粒和纳米的高分子材料复合在一起,然后用他们来做器件。这个片子就是告诉我们用这种材料确实是得到材料有很好的场致发射的性质。
纳米级导电高分子材料也可以做光电导的材料,因为它具有光电导的性质,这个地方就是复合纳米高分子的管子是怎么样在光的照射下表现出来光电导性质的例子。
另外制纳米级高分子材料不仅仅是用刚才的例子,还可以有其他的方法来做,可以用电纺的技术,把高分子材料纺成纳米级的纳米线、纳米管子、纳米的纤维。在天然高分子或者是具有医学生物性质的高分子领域里有很好的用途。
这是另外一个材料,也是通过电纺的办法来做,这是所谓透明质酸做的东西。这个材料在血管再生方面能够起到很好的作用。这是电纺得到纤维尺寸的情况。
这是也是一个天然的高分子材料,可以通过电纺的办法来做,可以把高分子材料跟药物复合在一起,通过电纺的办法就可以直接纺到你的伤口上,可以很好的来修复皮肤。
这就是为什么用这些材料有它很好的性质,最关键的是它没有毒性的,对人体非常友好,而且又有一定的强度,而且用完了以后,适当的通过生物化学的过程可以降解掉。
大家都知道DNA,DNA在生命科学里发挥着非常重大的作用,化学家也有考虑用DNA做一些材料的尝试,因为DNA本身也是一个天然的高分子,这张片子用的是日本北海道的数据。北海道是产鲑鱼最出名的地方,它是一个主要产鲑鱼的地方,这里会有鲑鱼精,就是一个渔场按照一年15000吨的鲑鱼精来算,DNA就有1200吨,这些DNA通过化学家的努力,可以做成在信息科技或者是生命医学领域做一些用途。
这是纯的DNA粉末的情况,通过化学的方法可以做成DNA的薄膜或者是DNA的纤维,根据你的需要,可以加进一些有用的东西,或者是用它来做治疗的话,可以有一些药物加进去;或者是在信息科技领域,可以把燃料的东西加进去,这就是在DNA里加燃料分子的示意图,是用来做发光的器件。
我不敢说这个东西将来一定能够成为什么工业的用途,就是给同学们一个启示,化学家是做各种的想像,各种的探索,包括平一般人不会想像的DNA也拿来跟显示器件联系起来,同学们可以进一步发挥自己的想像。
前面讲到了一些高分子化学家怎么把高分子的科学跟纳米科学,跟生命科学结合起来,发展一些新的材料的尝试。现在大家也特别关心的是化石燃料的问题,将来化石燃料没有了,是不是可以利用其他的能源,大家考虑比较多的是太阳能。
若干年前有美国科学家做过一点研究,他是设想如果每年的化石材料,用植物生物制来代替可不可以?就算了在美国有多少个英亩的农田来生产各种的作物,大概有4.3300亿土地是可以生长作物的,主要作物占了25000亿,美国消耗了多少的原油,折算以后,美国原油都用生物制来代替的话,需要生产主要作物2亿多英亩农田都来做这个,这个显然会有问题,因为大家都得吃饭,完全靠生物制做这个可能问题比较大。
但是我要告诉大家的是,包括高分子在内的化学品,就是我们在原油里只有2%左右来做精细化工的,包括高分子材料,它所占农田的比例比较好600万公顷土地就可以满足精细化工的要求。可能要特别花力气的不是来做燃油,因为做燃油烧掉的话,跟人抢口粮的问题会非常严重。
但是,如果能够把它发展来做机器化工品还是非常有前途的,但是这是非常困难,需要化学家们巨大的努力。这个研究结果告诉我们,对做精细化工来说是可以以生物制完全替代化石燃料。
生物燃料就是用太阳能,只不过通过生物合成的办法来做的。我们都知道二氧化碳加水,有太阳能的情况下就合成糖或者油脂类的东西,这些通过化学家们的努力可以转换成乳酸,糖和油的作用也可以变成聚合物。
这是微生物在它的体内储藏碳源的方式,在它的体内可以合成这一类高分子材料的,因此我们也可以通过这个办法来利用光的太阳能,通过生物化学这样的方法来合成高分子的材料。
这里就涉及到大量化学的问题,也包括生物化学的问题,包括基因组的问题,我们需要通过基因组的方法来筛选出生物合成的煤。生物催化剂,使得在微生物的体内增加产生这种聚合物的能力,或者让它改变,给它吃不同的葡萄糖、或者是植物油、甚至汽油,让它们按照化学家们设计好的物质来满足我们的需要。
这是一个例子,通过基因的重组能够来改变微生物合成聚合物的本事。这个例子告诉我们,对于某一种细菌来说,第一代只能在它的体内产生大概30%重量的聚合物,但是通过基因重组以后,得到的微生物它的体内可以聚集80% 的聚合物,所以这个效率是很高的,如果在一个细胞里有80%的聚合物,对它的提纯和产量都是非常重要的,当然化学家还在努力,一个是提高产量,一个是控制产物的结构。
这也是一个例子,两组经过基因重组以后的微生物的豆油,吃豆油以后就变成一个聚合物,这个地方是一个共聚物。另外吃葡萄糖得到另外结构的聚合物。
前面跟大家说的是化学家、高分子科学家和生命科学家的合作,怎么能够通过改变,通过基因的重组来改变微生物的性质,它能够帮助我们来利用太阳能和二氧化碳水合成我们所需要的东西。而且这些东西可以做成我们平常需要的材料,比如做成薄膜、纤维,或者是生物医用的材料。
这里的红色的部分就是用微生物方法合成的聚酯,用它做成的纤维。蓝色是涤纶,这是现在产量特别大的,在我们服装里用的特别多的。当然不只是服装了,也可以用在其他的方面,包括饮料瓶子等。这方面不必过多的解释,我标出来的性能,从力学性能强度的角度来说,数值越高越好,我们从生物的方法,利用太阳能,利用二氧化碳和水,合成出来的性质比涤纶性质还要好,如果做成服装的话会更加耐穿。
这些材料都是生物相容,可以做修复人体,这是脊椎系统可以用人工合成的示意图,在我们人体里,很多的部位都可以利用人工合成高分子材料进行修复。
这都是高分子化学家们的努力,他们从第一代的高分子努力推出第二代的高分子、第三代的高分子、第四代高分子、第五代高分子等等。一开始我就讲了,化学是一个创造性的科学,从高分子的例子就可以看到,最早他是利用天然高分子,比如做轮胎开始,然后做到人工高分子,橡胶或者是纤维等等,然后再来做工程塑料等等,化学家们包括高分子科学家们正在继续努力做这些事情。
这是给同学们一点建议,要成为一个好的化学工作者,还是需要有比较广的基础训练,包括各个方面基础的知识。另外要有兴趣,将来要选择你喜欢的领域,这些领域应该是充满着希望的新生的领域,而且不管怎么样,你要非常欣赏你追求的过程。有时候我们经常讲过程是更重要的,当然还要有一点耐心,任何科学技术上要有所成就都是需要付出艰苦的努力。另外要特别关注交叉学科的发展。
我大概就说这些,我上面讲的这些东西都是引自我的朋友或者是学者的一些材料,也包括我们学部给我提供的帮助,特别感谢大家。
