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美麗化學視頻，可能讓你瘋狂地愛上化學！

來源：一席   一席   2016-03-02
導讀：2014年9月，美麗化學網站上線，一個月內訪問量超過200萬。那些肉眼看來只是渾濁或變色的化學反應，在梁琰的4K攝影機下微妙而驚艷?！蹲匀弧冯s志前主編在Twitter上推薦，《時代》雜志也曾在官網評價：只要看過“美麗化學”的視頻，一定會愛上科學的不可思議。以下為美麗化學項目的負責人梁琰在一席的演講。

演講內容文字版

   我是中國科學技術大學的梁琰，很高興今天跟大家分享美麗化學的東西，我也是這個項目的項目負責人，也是項目的作者、攝影，加上科學可視化指導。大家看到這個圖片是我們新的網站，如果大家之前上過我們現在的網站的話，這是我們馬上要更新的新的版本。

   我們經常收到的一個問題就是，為什么要做美麗化學的這樣一個項目？其實答案很簡單，因為化學非常非常美麗。從我個人的經歷來講，我是清華大學化學專業的本科和碩士，然后之后到美國的明尼蘇達學了一個材料學的博士，所以，經過這么十多年的學習，我越發覺得化學非常非常的美麗，所以希望把自己對化學的熱愛分享給更多的人。

   那么如何來展現化學這種美麗呢？我特別喜歡攝影，而且我還特別喜歡在實驗室里拍東西，大家看到的這個是在哈佛大學的Markus Greiner的實驗室里邊，拍攝的是用光學來控制超冷原子的實驗裝置。


   這幅是在中國科學院的金屬研究所，在李峰教授的實驗室里拍的他生產碳納米管和測試他們的電池的裝置，他們把電池做成一個一個的紐扣電池，然后再在這樣的夾子上面批量地進行測試。



   所以我在想，我之前沒有去拍過化學反應，但我覺得通過特殊的這種攝影的手法去拍攝這些化學反應的話，一定能收到特別好的效果，所以這樣就解決了宏觀的一個問題，我們來拍攝化學反應。另外呢化學有很多微觀的東西，我們怎么呈現這些微觀的、拍攝不到的、看不到的東西呢？

   我是98年的時候大學入學，那時候第一次接觸電腦，當時就迷上了電腦的圖形圖像的各種各樣軟件，包括當時的動畫啊游戲啊還有影視特效，都跟這些電腦圖像非常相關，所以這是我的一個愛好，那一直到博士畢業之后一直在維持這個愛好。畢業之后很有幸到波士頓的一家公司叫做Digizyme，去做了一個科學動畫師，去做這些科學可視化方面的工作，之后又成為了一名自由職業者，我自由職業者的工作就是給世界各地的科學家來服務，給他們來做這種既能表現他們科研內容，又能展現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，分別發表在《自然》的《光子學》和《自然》的《材料學》的雜志上。

   所以這樣的話就很確定，我們對于這種看不見的、微觀的納米級別，甚至比納米級別更小的化學結構，我們可以通過電腦圖像的手段來給它展現，下面的話我們來看一看我們怎么來展現這些化學。

   這個是所有的中學生在學習化學的時候最頭疼的一個東西，就是這些東西都是化學方程式，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方程式，這些都是金屬的置換反應是吧，鋅置換銀，鋅置換銅和鋅置換鉛，這些反應原理其實很簡單，但是很枯燥，這個東西看起來的話就是要背，很多人對化學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圖像。

   這是第一個反應，置換銀的反應。

   在硝酸銀溶液中，因為銀很重，所以大家看到這個生長出來的銀樹都在往下走，是因為重力的作用。

   這是置換銅的反應：


   這是置換鉛的反應。在這里大家看到有很多氣泡，而且這些氣泡不動是因為我們是在一個硅膠里面進行的一個反應，這樣硅膠可以支撐這些鉛樹的重量，所以大家看到這個鉛樹不會倒下去，跟剛才銀不太一樣。


    我們再看第二段，第二段更簡單，就是沉淀反應，在講離子反應的時候或者講鑒別離子的時候，經常要做各種各樣的沉淀反應，但基本上就是說，拿來一個試管，我滴進去，搖一搖變成渾濁了，可能就是沉淀反應了，但其實在我們的拍攝中，沉淀反應是什么樣子的呢，大家來看一看。     

   硝酸銀跟氯化鈉生成氯化銀的反應：

   在我們拍攝之前我們很難想象這些反應大概是個什么樣子，所以我們在拍攝的過程其實是發現的一個過程，而且每個反應都有自己獨特的個性。

   這也是高中或初中經常接觸的生成硫酸鋇的一個反應，經常要考這兩個離子是不是能共存。

    這個反應可能高中的時候不多見，這是生成鉻酸銀的一個反應。

    所以大家看，每個反應都有不同的自己的personality，不同的個性。

   說到這兒要感謝兩位參與這個項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的經驗，使我們在很短的時間內能完成大量的反應，都是這兩位老師的貢獻。

   我們經常也會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??？我們其實用的都是很普通的一些設備，當時因為松下的GH4相機剛剛出來，它是一個非常好的、性價比非常高的、可以拍攝4K視頻的相機，所以我們用的是這個相機，我們用的是一個微距鏡頭，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就是一個百微，加上一個國產的也好或者是國外的一個轉接環就可以了。

   但是拍攝的容器，因為我們拍的大部分都是在溶液里發生的反應，這塊還是有一些重要的點要跟大家說一下，平時這樣的化學反應，大家可以在網上看到很多視頻，基本上要么是在燒杯、試管或者是燒瓶里進行的，那這種圓形的或者是圓柱形的容器的話，因為水在里面，大家可以拿出一瓶，比如說大家現在有礦泉水，拿出來看一看，手放在后面的話手就會變形，它有一個水的折射問題，另外，這種圓形或圓柱形經常會有高光反射，產生一些視覺干擾，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，用這樣東西來拍攝的時候，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反應本身的東西，這很重要。

    另外現在我們也開始在顯微鏡下拍攝東西。這個實驗我們是怎么拍的呢？兩個液滴，先滴一個液滴在玻璃板上，然后滴另外一個液滴，當然一個是硝酸銀，另外一個是氯化鈉，在第二個液滴逐漸擴大的過程中，最后總有一瞬間兩個液滴會碰到一起，這樣發生沉淀反應。

    讓我們再看看顯微鏡下這個反應是什么樣子的

   這跟兩個溶液的濃度有關系，產生了這樣的一個滲透壓，所以大家看到很奇怪的各種各樣的現象，我們剛剛開始這部分的制作，新的內容也會公布在我們新的網站上。

   說完了化學反應，我們來看一看微觀的化學結構。大家看到這是綠寶石，其實更準確地說應該是，一塊祖母綠在微觀下的結構。


   這些寶石宏觀都是很吸引人的，大家都去追求它，花高價去買它，它在微觀下也是非常非常美麗的。我本人因為學過材料方面，經常會學習各種各樣的晶體結構，我對這種非常有對稱性的結構是非常喜歡的。

   這個是紅寶石的結構，紅寶石其實就是三氧化二鋁，之所以呈現紅色是因為它里面混有少量的鉻離子，如果混有其他的離子也可以成為藍色，變成藍寶石，但實質上來說它都是三氧化二鋁。各位觀眾如果用的是iPhone的話，你的手機上的鏡頭保護膜其實也是三氧化二鋁，剛玉（三氧化二鋁的別稱）。


   這個是更普通的我們每天都攝取的食鹽的結構，這個可能在高中的時候大家都知道，鈉原子把一個電子給了氯離子所以帶了一個正價，這邊是一個負價，所以他們是一比一的結構。

 


   但這個結構如果在高壓下會變成什么樣子呢？

   在非常高的壓強下，它不再是一比一的結構，會可能一比三，一比七或者三比一的這樣一個結構：


   這是科學家最近在前兩年的時候通過計算推測出來的，而且通過實驗也驗證出來了一些真正的這樣可以存在的一些結構，我們對化合價的性質的認識也正在發生一些轉變。

   這是干冰的結構，二氧化碳的氣體，但是在很低的溫度下也能形成這么很規整的結構，舞臺上咱們今天沒有造霧之類的東西，造霧的時候經常要用到干冰的。


    這是水的結構，水的結構非常非常重要，也是現在目前研究的一個熱點。大家看到這個藍色的東西，白色的是氫原子，灰色的是氧原子，那藍色的水分子和水分子形成的氫鍵，氫鍵形成了這樣三維的動態的網格結構，這是非常動態的一個結構，一瞬間有無數的氫鍵在斷裂，有新的氫鍵在生成。

 

 

   為什么要研究這些氫鍵的網格結構呢？因為水在生命的過程中是非常重要的分子，它不僅僅是一個溶劑的作用，我們在細胞內部發生的無數的化學反應，有很多很多的化學反應都是跟水相關的，而且水是參與化學反應的，所以我們只有知道了水的結構之后，我們才能理解水在參與各種各樣化學反應之中的作用，這一點是非常非常重要的。

   但是化學家也通過他們的聰明才智合成了各種各樣的新的化學物質，我這里邊舉的例子是一些比較有意思的化學物質，比如這是一個叫做索烴的物質，是兩個分子環兒鎖在一起：

 

   這個分子的合成大家可以想象難度有多大，這個東西小到只有大概一到兩個納米，一個納米是10的負9次方的米，這么小的結構能形成這樣的環兒，這是化學家動了多少的腦子，但是這個東西說明我們的合成技術在飛躍式地在進步，對微觀的操控越來越強。

   大概在50年代的時候我們第一次合成出來這樣的分子，但是需要很長的鏈，而且靠隨機的方法，就是說我們要關環的反應，在某一個隨機的事件兩個環會聚集在一起，形成這樣的一個索烴分子，但現在，依靠我們對分子間和分子間作用力的理解，我們可以先關一個環，然后另外一個環讓它固定在某一個位置，還是開環的，通過一個化學反應把另外一個環關掉，這樣就可以大批量地來生產這樣的索烴。不光光是這樣簡單的分子，包括這樣的更復雜的有拓撲結構的，叫做分子波羅米安鏈環的結構：

    化學家跟數學家一樣，他們在解特別難的題，他們的題就是，我要合成出來這么復雜的分子，包括這個五葉結分子：

    下面給大家展示的是一個DNA的雙螺旋結構，這個結構大家很熟悉，我們的遺傳信息都蘊含在DNA分子當中。

    但對于化學家來說，他運用堿基對的互配原理，通過各種各樣的巧妙的設計，可以實現各種非常非常微小的，而且非常精妙的結構。比如這個DNA的納米飛船：

    這個是怎么做的呢，通過堿基對互配的原理，他們設計了大概有200多個DNA的單鏈，然后把它混到一個溶劑里面去煮一煮，混到水里就可以了，然后這樣就自組裝成了一個宇宙飛船的樣子，非常非常的奇妙。

 

   那用這樣的東西來做什么呢？有的科學家也用類似的DNA的納米技術來做這種微觀尺度的器件，比如說他可以做像扇貝的一個器件，里邊裝了一種藥物，在扇貝的上面裝了一個分子，這個分子可以識別比如說癌細胞，那當這個扇貝到達了這個癌細胞之后，這個扇貝就打開，把里邊的藥物釋放出來，殺死癌細胞。所以現在這個已經被證實了，所以說我們現在在微觀的操控、利用自主裝的能力越來越強，我們對自主裝的理解也越來越深入，將來很可能在DNA納米技術或其他納米技術會有更多的突破。

   說到這兒，不得不提到自然界的自組裝。大家看到這是兩個病毒的結構，病毒這個詞一提到大家就會想到非常邪惡的表現，一般網絡上的圖像也會把病毒表現得非常的邪惡，但是實質上病毒的結構是非常非常美麗的結構。

    另外，化學史也是我們非常關心的一個環節，我覺得公眾想理解化學或者了解化學的話，化學史非常非常重要。一般來講，化學史的敘述是從科學家的角度來進行的，我們也是從這個角度來進行，我們選了12位科學家，這里面顯示了兩位，波義耳和法拉第可能是大家比較熟悉的，但大家熟悉可能都是從物理角度去熟悉這兩位科學家，因為波義耳定律是關于氣體的定律，在物理課上學到，法拉第的話可能是學他的電磁感應的時候了解到法拉第，但是其實這兩位科學家都是非常重要的化學家，波義耳在化學成為一門科學之前就做出了非常大的貢獻，法拉第在電化學方面做出了非常突出的貢獻，他提出了法拉第電解第一定律、電解第二定律，完善了我們對電化學的理解。這兩幅圖是我的一個朋友陳磊畫的。

    那我們選擇什么樣的角度跟別人不一樣，來展現我們化學史的美麗，展現出我們的視覺的重要性呢？我們選擇的是他們使用的儀器的角度。這幅圖是在1660年，在波義耳著作里的一幅插圖：

    但是光有這幅插圖還不夠，我們真的去找到了他當時的著作，仔細去閱讀了他里面對這個儀器的描述，現在這些東西也都在網絡上可以找到，所以根據我們的研究調研，包括他原始的圖片，我們用CG的技術，這不是照片，這是用很高端的CG的技術，這是上海映數跟我們的合作，來復原出這樣的裝置，這也是可能現在的年輕人更喜歡的一個方式，因為他們整天接觸的游戲動漫，可能對這些更喜歡，所以我們用他們比較熟悉的方式，把這個儀器嚴謹地展現出來。

    這儀器它在化學史上有什么作用呢？當時對于燃燒的理解，在1660年還停留在四元素說：水 火 土 氣，波義耳當時認為，燃燒的過程是一種氣釋放的過程，那如果我在真空狀態下把氣抽走了，那燃燒其實應該更猛烈，但實際上他把蠟燭放進去之后，抽到真空，發現燃燒停止了，燃燒不能在真空狀態下進行。這個就證明，空氣對燃燒來講是非常必要的一個物質，因為大氣燃燒的整個過程是化學史非常重要的一個過程，所以這是非常重要的一個實驗。

 

   另外大家看到的這個是戴維的安全燈，當時英國的采礦工業經常發生事故，這個安全燈的出現雖然很簡單，原理也很簡單，就是因為有一層金屬的網可以快速地降溫，這樣達不到爆炸的溫度，但是這個拯救了當時整個英國的采礦工業，非常非常重要。


    另外一邊是伏打電堆，我們現在的手機可以非常...當然電池還是一個問題，但這是第一次我們有了一個持續放電的電池，之前還必須得靠摩擦，一邊搖著一邊才能有持續的電流，這是第一個可以靠化學的方法持續供電的電池，有了它之后戴維用這個裝置發現了兩個新元素，非?；顫姷慕饘兮c和金屬鉀。


    然后大家看到的是卡文迪許的，用來把氫氣和氧氣混合在里邊，通過這兩個端點引入兩個電極，通過電極打火的方式讓它們產生爆炸，爆炸想得到的結果是驗證水的比例，氫跟氧的比例，他特別精準地推算出氫和氧的比例是2.02：1，這在那個年代，1784年，是非常了不起的一個實驗。

 


   然后另外大家看到的這個是有機物元素分析的一個裝置，這個是李比希的裝置，當時它非常的小巧，而且操作非常簡單，精度非常高，當時就把有機化學從一個非常強調經驗性的變成一個很量化的學科，起到了至關重要的作用，而且它里面用來吸收二氧化碳的，大家看到有五個球的這個裝置叫做鉀堿球，也是非常重要的一個特色的裝置，如果大家這里有學化學的朋友可能會知道，如果上美國化學會網站的話，美國化學會的會標Logo上就有這個鉀堿球的裝置。

 

   我們收到了很多反饋，很多人，包括中學生、大學生、研究生都發信告訴我們很喜歡我們的項目，然后有家長發信感謝我們，甚至有家長給我們無償地捐款了10萬元，這樣我們能制作化學史的這部分的內容，但是最打動我們的是這句話：

   如果在中學就看到美麗化學，我的化學就不會那么糟糕了。

   很多媒體也關注我們的項目，美國《赫芬頓郵報》的這句話我覺得很有代表性：這可能會讓你瘋狂地愛上化學。

   為了讓更多人能喜歡上化學，我們現在也是費了好多心思，我們準備了兩本書籍，一個是《化學反應》，一個是《化學結構》。大家看到的這個像風火輪的結構，它叫做細胞凋亡復合體，是在細胞凋亡的過程中出現的一個很多蛋白質的一個復合體，非常重要，細胞凋亡為什么很重要呢？因為我們的細胞在不停地分裂，但細胞也在不停地死去，這是一個很正常的機理。我們人體的細胞大概每天有，大概500到700個億的細胞通過細胞凋亡的方式死去，所以這個復合體是非常重要的一個蛋白質的復合體。


    最后呢，我們想繼續來做這件事情，我們成立了一家新的公司——新知數媒，我們想通過美麗化學的形式回歸到教育最本源的兩個基本點：一個是激發求知欲，讓孩子們愛學習，另外一個是提高學生的學習效率，讓他們會學習。我們也希望能真正地為中國的科學教育做出我們自己的一點點貢獻。

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