美丽化学

  • 语  言:中文简体
  • 类  型:视频
  • 学科类别:自然科学(化学)
  • 作  者:梁琰
  • 主题分类:科学探索 
  • 对  象:小学生、初中生、高中生、大学生、社会公众
  • 适用学段:从小学一年级到高中三年级
  • 相关课程:
  • 版权单位:中国科协青少年科技中心
  • 版权声明:仅限公益使用,禁止商业应用。
  • 资 源 包: 美丽化学
  • 标  签: 化学
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  我是中国科学技术大学的梁琰,很高兴今天跟大家分享美丽化学的东西,我也是这个项目的项目负责人,也是项目的作者、摄影,加上科学可视化指导。

  我们经常收到的一个问题就是,为什么要做美丽化学的这样一个项目?其实答案很简单,因为化学非常非常美丽。从我个人的经历来讲,我是清华大学化学专业的本科和硕士,然后之后到美国的明尼苏达学了一个材料学的博士,所以,经过这么十多年的学习,我越发觉得化学非常非常的美丽,所以希望把自己对化学的热爱分享给更多的人。

  那么如何来展现化学这种美丽呢?我特别喜欢摄影,而且我还特别喜欢在实验室里拍东西,所以我在想,我之前没有去拍过化学反应,但我觉得通过特殊的这种摄影的手法去拍摄这些化学反应的话,一定能收到特别好的效果,所以这样就解决了宏观的一个问题,我们来拍摄化学反应。另外呢化学有很多微观的东西,我们怎么呈现这些微观的、拍摄不到的、看不到的东西呢?

  我是98年的时候大学入学,那时候第一次接触电脑,当时就迷上了电脑的图形图像的各种各样软件,包括当时的动画啊游戏啊还有影视特效,都跟这些电脑图像非常相关,所以这是我的一个爱好,那一直到博士毕业之后一直在维持这个爱好。毕业之后很有幸到波士顿的一家公司叫做Digizyme,去做了一个科学动画师,去做这些科学可视化方面的工作,之后又成为了一名自由职业者,我自由职业者的工作就是给世界各地的科学家来服务,给他们来做这种既能表现他们科研内容,又能展现他们科研的这种给科研带来一些视觉冲击力的图片。

  所以这样的话就很确定,我们对于这种看不见的、微观的纳米级别,甚至比纳米级别更小的化学结构,我们可以通过电脑图像的手段来给它展现,下面的话我们来看一看我们怎么来展现这些化学。

  这个是所有的中学生在学习化学的时候最头疼的一个东西,就是这些东西都是化学方程式,这些东西是要背的,是很枯燥的,但是我觉得这是看似枯燥的化学方程式,这些都是金属的置换反应是吧,锌置换银,锌置换铜和锌置换铅,这些反应原理其实很简单,但是很枯燥,这个东西看起来的话就是要背,很多人对化学的感觉大概就是这样,要背好多好多的东西。

  但是我们来看一看这些方程式背后到底是什么样的一个图像。

  在我们拍摄之前我们很难想象这些反应大概是个什么样子,所以我们在拍摄的过程其实是发现的一个过程,而且每个反应都有自己独特的个性。

  每个反应都有不同的自己的personality,不同的个性。

  说到这儿要感谢两位参与这个项目的陶先刚老师跟黄微老师,都是中科大的老师,他们有非常多的这方面教学的经验,使我们在很短的时间内能完成大量的反应,都是这两位老师的贡献。

  我们经常也会收到各种各样的问题,你们到底用什么样的装置来拍摄这些东西啊?我们其实用的都是很普通的一些设备,当时因为松下的GH4相机刚刚出来,它是一个非常好的、性价比非常高的、可以拍摄4K视频的相机,所以我们用的是这个相机,我们用的是一个微距镜头,这样的话可以把距离拉得很近,大家感觉放得好大的感觉其实就是一个百微,加上一个国产的也好或者是国外的一个转接环就可以了。

  但是拍摄的容器,因为我们拍的大部分都是在溶液里发生的反应,这块还是有一些重要的点要跟大家说一下,平时这样的化学反应,大家可以在网上看到很多视频,基本上要么是在烧杯、试管或者是烧瓶里进行的,那这种圆形的或者是圆柱形的容器的话,因为水在里面,大家可以拿出一瓶,比如说大家现在有矿泉水,拿出来看一看,手放在后面的话手就会变形,它有一个水的折射问题,另外,这种圆形或圆柱形经常会有高光反射,产生一些视觉干扰,所以我们用的是这种比色皿,大家可以理解成微型的这种鱼缸,用这样东西来拍摄的时候,就真正把变形、光影的干扰都给去掉了,所以我们看到的是化学反应本身的东西,这很重要。

  另外现在我们也开始在显微镜下拍摄东西。这个实验我们是怎么拍的呢?两个液滴,先滴一个液滴在玻璃板上,然后滴另外一个液滴,当然一个是硝酸银,另外一个是氯化钠,在第二个液滴逐渐扩大的过程中,最后总有一瞬间两个液滴会碰到一起,这样发生沉淀反应。

  说完了化学反应,我们来看一看微观的化学结构。

  水的结构非常非常重要,也是现在目前研究的一个热点。大家看到这个蓝色的东西,白色的是氢原子,灰色的是氧原子,那蓝色的水分子和水分子形成的氢键,氢键形成了这样三维的动态的网格结构,这是非常动态的一个结构,一瞬间有无数的氢键在断裂,有新的氢键在生成。

  为什么要研究这些氢键的网格结构呢?因为水在生命的过程中是非常重要的分子,它不仅仅是一个溶剂的作用,我们在细胞内部发生的无数的化学反应,有很多很多的化学反应都是跟水相关的,而且水是参与化学反应的,所以我们只有知道了水的结构之后,我们才能理解水在参与各种各样化学反应之中的作用,这一点是非常非常重要的。

  另外,化学史也是我们非常关心的一个环节,我觉得公众想理解化学或者了解化学的话,化学史非常非常重要。一般来讲,化学史的叙述是从科学家的角度来进行的,我们也是从这个角度来进行,我们选了12位科学家,这里面显示了两位,波义耳和法拉第可能是大家比较熟悉的,但大家熟悉可能都是从物理角度去熟悉这两位科学家,因为波义耳定律是关于气体的定律,在物理课上学到,法拉第的话可能是学他的电磁感应的时候了解到法拉第,但是其实这两位科学家都是非常重要的化学家,波义耳在化学成为一门科学之前就做出了非常大的贡献,法拉第在电化学方面做出了非常突出的贡献,他提出了法拉第电解第一定律、电解第二定律,完善了我们对电化学的理解。

  但是光有这幅插图还不够,我们真的去找到了他当时的著作,仔细去阅读了他里面对这个仪器的描述,现在这些东西也都在网络上可以找到,所以根据我们的研究调研,包括他原始的图片,我们用CG的技术,这不是照片,这是用很高端的CG的技术,这是上海映数跟我们的合作,来复原出这样的装置,这也是可能现在的年轻人更喜欢的一个方式,因为他们整天接触的游戏动漫,可能对这些更喜欢,所以我们用他们比较熟悉的方式,把这个仪器严谨地展现出来。

  这仪器它在化学史上有什么作用呢?当时对于燃烧的理解,在1660年还停留在四元素说:水 火 土 气,波义耳当时认为,燃烧的过程是一种气释放的过程,那如果我在真空状态下把气抽走了,那燃烧其实应该更猛烈,但实际上他把蜡烛放进去之后,抽到真空,发现燃烧停止了,燃烧不能在真空状态下进行。这个就证明,空气对燃烧来讲是非常必要的一个物质,因为大气燃烧的整个过程是化学史非常重要的一个过程,所以这是非常重要的一个实验。

  我们收到了很多反馈,很多人,包括中学生、大学生、研究生都发信告诉我们很喜欢我们的项目,然后有家长发信感谢我们,甚至有家长给我们无偿地捐款了10万元,这样我们能制作化学史的这部分的内容,但是最打动我们的是这句话:

  如果在中学就看到美丽化学,我的化学就不会那么糟糕了。

  很多媒体也关注我们的项目,美国《赫芬顿邮报》的这句话我觉得很有代表性:这可能会让你疯狂地爱上化学。

  为了让更多人能喜欢上化学,我们现在也是费了好多心思,我们准备了两本书籍,一个是《化学反应》,一个是《化学结构》。大家看到的这个像风火轮的结构,它叫做细胞凋亡复合体,是在细胞凋亡的过程中出现的一个很多蛋白质的一个复合体,非常重要,细胞凋亡为什么很重要呢?因为我们的细胞在不停地分裂,但细胞也在不停地死去,这是一个很正常的机理。我们人体的细胞大概每天有,大概500到700个亿的细胞通过细胞凋亡的方式死去,所以这个复合体是非常重要的一个蛋白质的复合体。

  最后呢,我们想继续来做这件事情,我们成立了一家新的公司——新知数媒,我们想通过美丽化学的形式回归到教育最本源的两个基本点:一个是激发求知欲,让孩子们爱学习,另外一个是提高学生的学习效率,让他们会学习。我们也希望能真正地为中国的科学教育做出我们自己的一点点贡献。

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