我的职业是分子玩家

作者: 丛欢

来源: SELF格致论道讲坛

发布日期: 2020-01-07 17:07:36

丛欢,中国科学院理化技术研究所的研究员,通过分享化学知识,展示了化学在我们日常生活中的重要性以及如何通过正确使用化学来造福人类。他提到了有机化学的发展历程,以及他和他的团队在合成新分子方面的研究成果,包括一种水下胶水和一种发光分子。

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。丛欢,中国科学院理化技术研究所的研究员,从事有机合成化学研究,他的职业就是将小小的分子玩弄于股掌之上。

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。

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。

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。

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。

碳元素是划分有机与无机化学的关键。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。

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。

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。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。

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。

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。

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。

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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