諾貝爾獎已走過118年，獲獎名單星光熠熠。你可能不知道的是，諾貝爾獎還有一個名字，叫「炸藥獎」，這是為什麼呢？原來是因為110多年前，一個名叫諾貝爾的科學家，把甘油和硝酸、硫酸混到一起，就得到了硝酸甘油，成就了一種優秀的炸藥…這一切，都是因為有機化學的神奇！
出品："SELF格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為中國科學院理化技術研究所叢歡演講實錄：
我從事化學研究，具體來說，就是有機合成化學，我們的職業是把小小的分子玩弄於股掌之上。
對於很多80後來說，動畫片《藍精靈》可能都看過，《藍精靈》的主題歌也都會唱，動畫片中的大反派格格巫跟他的貓天天在家鼓搗化學實驗，他家裡有齊備的設施和實驗用品，有玻璃儀器、化學試劑、參考書、加熱釜、試管，等等。
這個動畫片裡面不但壞人在做實驗，好人也在做實驗。
藍精靈的家裡，藍爸爸也在查閱文獻，試圖做各種化學實驗。
我不敢說這個動畫片是多少人的化學啟蒙，我也是長大了以後回頭再看這個動畫片，才發現這個動畫片裡有這麼多化學知識。
正確使用化學可以造福人類
其實，對於很多並不了解化學，或者是通過大眾媒體接觸到化學的人來講，提到化學這個詞，更容易跟一些負面的詞彙聯繫在一起，比如，有毒有害，化學聽起來會比較可怕。
若干年前，中央電視臺曾播放過一個化妝品廣告，廣告詞就是「我們恨化學」，廣告主要是想強調自己生產的化妝品健康無害，但這個廣告詞恰恰就是迎合了大眾對於化學不了解而產生的懼怕心理。
但其實我們的衣食住行與化學都有莫大聯繫。我們身邊的塑料、鋼鐵、水泥、玻璃，還有我們日常必備的能源：汽油、電池，都離不開化學。
隨手拿起身邊的一瓶飲料，看一下飲料瓶的成分表，可以看到這裡面有很多看起來很嚇人的化學名詞，羧甲基纖維素鈉、乳酸檸檬酸、檸檬酸鈉、甜蜜素、安賽蜜、苯鉀酸鈉等。
如果我們不懂化學的話，會覺得自己喝了一瓶化學試劑。這些化學品確實就在我們身邊，沒有這些化學物質，我們無法擁有現在的生活質量。
這個老奶奶想必很多人都知道，她是國家科技元勳，也是科技界的英雄。屠呦呦憑藉在中國取得的重要成果，成為第一位獲得諾貝爾科學獎的大陸科學家。
她最重要的貢獻，就是從很常見的蒿草中提取出非常小的分子——青蒿素，這個分子可以殺死導致瘧疾的病毒，挽救了幾百萬、上千萬人的生命。用這樣一個小小的分子為大家造福，得到了一個世界頂尖的獎勵，是當之無愧的。
我自己作為老師，身邊有很多年輕的學生，他們和他們的家長都很關心一個問題：我自己或者我的小孩從事化學研究會不會影響壽命？有些化學物質毒性極強，會不會影響身體健康？
作為一個科研工作者，必須用事實說話，於是我在網上查了一組數據。過去三年間，中國科學院化學部一共損失了14位院士，可以看到其中最年輕的一位也有83歲，最高壽的是103歲。
與此相比，我國的人均壽命還不到80歲，這14位院士平均高壽超過了92歲。這些數據能夠讓人們心裡踏實一下，我們學好化學，就知道怎樣規避它的害處，而正確利用它的優勢就可以為人類造福的。
我認為，研究化學好比馴服一隻野獸，野獸的野性總是有的，而當我們正確了解了它的習性和脾氣之後，就能夠把它馴養在我們身邊。事實上，我們的生活是離不開化學的，而且它還可以為生活質量的提高做出很大貢獻。
碳元素是劃分有機與無機化學的關鍵
我自己的研究領域是有機合成。有機化學和無機化學這兩個名詞，很多人都聽說過，但實際上這是一個很古老的、錯誤的劃分，只是現在保留了名字而已。
在幾百年前，大部分人信仰神學且錯誤地認為所謂的有機和無機是以生命的有無來劃分的，所以會把和生命有關的化學過程歸為有機；和生命無關的，比如金木水火土這些沒有生命的物質歸為無機化學。
現在，有機和無機在大部分情況下是以含碳元素的情況來劃分的，碳是元素周期表上的第六號元素，化學符號是C。
這個元素是元素周期表中，可以構成最多種不同分子的元素，同時也作為最基本的一個積木塊，構建了我們身邊各種各樣的物質和有趣的世界。
碳元素的一個性質是它可以生成4個化學鍵，我們可以將化學鍵理解為手拉手，一個碳原子有4個手，可以跟其他4個不同的小夥伴拉手。
根據它不同的成鍵，就是拉手的狀態，有的碳可以生成正四面體的樣子，有的碳是平面的樣子，還有的碳可以變成直線形。化學家還比較喜歡把6個平面的碳湊成一個圈，變成一個正六邊形——這個化學的名詞叫作苯。
聽到這個名字可能會有點害怕，但是這些分子恰恰是構成包括我們自己的很多有機物必不可少的積木塊，也是構建大千分子世界的分子單元。
有機化學到底幹了些什麼？
有機化學是一個相對比較年輕的傳統學科，從誕生到現在還不到200年。時間倒推回19世紀中葉，這個化合物的名字中文叫硝酸甘油，現在很多人會隨身帶著硝酸甘油，它是治心臟病的一種救命的藥。
100多年前，這個化合物剛剛被造出來，化學反應式的左邊是甘油，它是有三個羥基的醇類的化合物，幾乎所有的化妝品，還有很多食品當中都有這種化合物。
一個名叫諾貝爾的科學家，把甘油和硝酸、硫酸混到一起，就得到了硝酸甘油。
在那個時代，這個發明了不得，成就了一種非常優秀的炸藥，所以，這個發明給諾貝爾帶來了巨大的財富，這也成就了如今耳熟能詳的諾貝爾獎。很多時候，有人謔稱諾貝爾獎為炸藥獎，也源於此。
時間過了50年，德國化學家把一種從柳樹皮中提取的物質——水楊酸和一種名為醋酸酐的物質混在一起，於是得到了乙醯水楊酸，這個分子今天的名字叫阿司匹林。
從它誕生之日到今天為止，100多年過去了，這個藥可以被稱之為一種世紀神藥，小到頭疼腦熱，大到癌症、心血管疾病，它都能治。
阿司匹林挽救了很多人的性命，也提高了很多病人的生活質量。可以看到，一個非常小的分子，一個非常簡單的反應，可以改變我們的生活，也可以創造巨額財富。
接下來我們省略幾萬字，直接跳過將近一個世紀到1994年，經歷這麼長時間的發展，科學家可以合成的分子，從原來那麼一點點，到現在這麼「大」的一個，而且結構很複雜，這個分子的名字叫海葵毒素
直到1994年，經歷這麼長時間的發展，科學家可以合成的分子，從原來那麼一點點，到現在這麼「大」的一個，而且結構很複雜，這個分子的名字叫海葵毒素（Palytoxin）。
這個分子是人類迄今為止在自然界分離出來的結構最複雜的一種物質之一，也是最毒的一種物質，1克的量可以毒死10億隻小白鼠。
一般來講，有毒的物質，用量非常非常少的話，往往是一種很好的藥物，但是從自然界當中提取海葵毒素數量非常有限，因此有機化學家希望在實驗室中合成出這個分子。
另外，這個分子的複雜程度，在當時被認為是幾乎不可能完成的任務，如果有機化學家能通過實驗的方法，人工在試管當中合成出這一物質，意味著挑戰科學極限。
科學家們經過很長時間的努力，終於在1994年實現了這一突破，美國哈佛大學的化學家完成了這個分子的合成，代表著有機合成化學的一個裡程碑。
我現在已經研究化學近20年，具備較好的化學基礎，但我把這個結構式在紙上抄一遍都得將近20分鐘，更何況我們要把這個複雜的物質合成出來，其複雜程度很難想像。
海葵毒素被人工合成出來以後，很多人一度認為合成化學已經從一門科學走向了一種指哪打哪的技術。也就是說，只要給我們足夠的錢和人力、時間，那麼再複雜的分子也可以把它合成出來。
合成化學家在過去很長一段時間的努力和成就，造就了本世紀以來的19次諾貝爾化學獎中有4次頒給了有機化學領域的合成化學家，有12位傑出的有機化學家獲此殊榮。
站在巨人肩膀上仍然有很多問題有待我們解決。具體來講，我們希望能夠進一步創造新的分子，並能挖掘它的新功能，為人類所用。在我們更加重視環境、環保的今天，力求使化學和整個生產過程更加高效，更加綠色。
接下來講講我課題組最近合成的兩個好玩的分子。
第一個例子，是今年我和同事合作發現的一種水下的膠水。膠水，日常生活中都用過，但我們一般是在空氣中用的。
水作為一種非常好的溶劑，可以把很多常見的膠水溶解掉。很多膠水在空氣中很好用，放到水下就不能起作用。
而這種膠水可以在水下黏合物體，這具有非常重要的實際用途，比如說外科手術、管道的修補、水下船舶的修復，都需要水下的膠水。
這種膠水另一個有意思的地方是可逆性，當我們把一束很強的光照上去的時候，原來不黏的膠水就會變得很黏；原本黏的狀態下，如果我們把它加熱到70℃，它又會變得不黏，因此，我們可以通過簡單的外界的刺激調控這樣的過程。
這是膠水的樣子，跟我們日常用的膠水差不多，是一種比較黏稠的，類似透明牙膏的狀態。
我們做了一個實驗測試這個膠水的強度，我們找了兩個有機玻璃片，中間黏合的面積為2×2釐米，即4平方釐米。
我們在有機玻璃片上開了4個孔，實驗表明，在上面吊5千克的重物完全沒有問題，說明這種膠水在水下可以實現非常好的黏接強度。
我們還試了不同的液體，看看是否都有效，比如海水，還有比較常見的飲料，如蘇打水、雪碧、酒精，在這些液體中都可以實現有效的光和熱響應的「黏」和「不黏」的調控。
這個圖展示了在水下實際能夠觀測到的黏附過程。我們在玻璃棒的頭上粘了一點膠水，在水下可以輕鬆粘起小光球，光照的條件下，在水下可以輕鬆粘起小鋼球，粘上小球移動一定距離後，把水加熱，它就會把這個球放下來。
我的工作單位理化技術研究所的一個特色研究方向是光化學，剛才這個例子講的是我們如何利用光來實現分子的功能，下一個例子會介紹分子有怎樣的發光性質。
這個分子結構中有兩個大環，形狀非常像一個領結，所以把它叫做分子領結。
這個圖不是我們手繪的，而是用X射線單晶衍射的手段獲得的，可以真真切切看到這個分子當中每一個原子的位置。
這實際上是一個分子的照片，所以可以看清一個分子到底長什麼樣子。儘管在圖上看起來很大，實際上它的邊長只有2納米。
我們研究的分子是非常非常微小的存在，但是它可以為我們做很多事情。 這個分子有多小呢？這是一張地球繞太陽軌道的圖片，這個軌道的周長是109千米。
我們只需要1.5克，裡面所含有的分子領結，就可以首尾排列繞整個地球繞太陽軌道一周。
這個分子有什麼好玩的地方呢？日常的領結有各種顏色很好看，這個分子領結可以在不同的狀態下發不同顏色的光。
當它整齊排列的時候，比如說晶體狀態的時候，是發藍光的，當這個分子雜亂無章、比較混亂時，比如它溶解到某一種溶劑當中的時候就發黃光。
我們都看過國慶閱兵，感覺非常的震憾，是因為解放軍戰士們排得特別整齊，一個方陣過來，每個人看起來幾乎一模一樣。
化學家也非常喜歡這樣排列整齊的狀態。這是分子領結的藍色菱形晶體中非常小的一塊放大了很多很多倍以後呈現出來的樣子，我們能夠看到這裡面每一個分子領結排列的狀態。
這個圖再放大一點點，就可以看到領結形的分子展現出非常有序的左右兩排V字形的排列，我們管它叫魚骨型排列。正是這樣的有序排列，使得這個分子能夠在這樣的狀態下發藍光。
當我們把這個分子溶解在一定的溶液中時，隨著時間的推移，可以看到顏色的變化。這是快進播放的一個5分鐘的視頻，溶液由黃色變為非常漂亮的藍色。因為溶液已經達到了飽和，所以有序排列的晶體隨著時間的推移就生成了。
這就是通過給這個分子一定的外界刺激，來實現這樣的性質的變化。
這是一個發光從黃變藍，也就是從無序到有序的過程，如果我們把過程逆轉過來，使分子排列從有序變到無序，這個分子的發光就會變回去。
具體做法很簡單，我們都見過廚房裡搗蒜的臼，把藍色螢光的有序的晶體放進去，研磨每隔一段時間拍一張照片。
可以看到，我們怎麼研磨也磨不到黃色的狀態，到最後是綠色的螢光。
接下來，我們把濾紙浸泡在分子領結的溶液中，將濾紙從裡面撈出來，晾乾後就得到了可以發藍光的一張紙，意味著其中的分子領結是有序排列的。
像此前一樣，我們通過施加一個外力，相當於把原本搭建得非常漂亮的積木城堡推倒，撒了一地。這個外力讓原來有序排布的分子變得雜亂無章。
如何給它施加一個外力呢？對於一張紙，一個好玩的辦法是用老式的針式印表機，我們把墨盒取掉，在電腦上輸入什麼樣的圖案，就可以通過印表機的針的撞擊，在濾紙上列印這些圖案。
接下來，再用有機溶劑進行燻蒸，分子又可以自發變回有序的狀態，實現一個可擦寫、發光變色的濾紙。
我到理化所工作已經4年多了，我的課題組也是隨著時間的推移不斷發展壯大。
前面講的這兩個很有趣的分子，都是由我的學生們做出來的，感謝他們。
很高興能給分享化學，分享分子的世界，希望更多的人喜歡上化學。
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