从实验室到日常生活，化学可以为我们带来什么？

清华大学化学博士、科普作家孙亚飞带来演讲《化学的无限可能——从实验室到日常生活》

2024 年 6 月 21 日，科普中国·星空讲坛以“科学报国正当时”为主题，邀请五位不同专业领域的专家学者，从不同领域、角度阐释如何从自身兴趣和职业规划出发，结合国家和社会的需求做出未来选择。

以下是孙亚飞的演讲节选：

我学了很多年化学。

高中起，我就参加化学竞赛，运气还不错，保送到北京大学，在北大化学系待了 4 年。

毕业后，我在一家工厂担任研发工程师，也是在那里，看到和学到了很多和实验室里不一样的东西，之后就走上了科普的道路。

从事科普工作的过程中，我又发现：好像仅有一些化学知识还是不够，于是回炉深造，到清华大学化学系读了博士。

算算看，从高中到现在，我已经在化学实验室里面泡了挺长的时间。那么，在实验室里，我们一般会做什么？

这些实验室的“黑话”是什么意思？

在实验室里，我们常提到几个“黑话”：过柱子、打核磁、测电镜还有洗瓶子。

它们分别是什么意思？

过柱子

过柱子是化学实验里面非常重要的一个过程。

所有的化学反应过程中，都不会只得到某种单一产物，而是很多产物混合在一起，所以需要对这些产物进行分离。

在化学实验室里，每次反应进行完，首先要做的，就是把其中我们想要的产物分离出来，而分离的方式就是“过柱子”。

过柱子的时间有长有短。有时过得快，二三十分钟就能把我们想要的东西给分离出来，不过通常我们都需要干上一天的时间，有时过上一天也不一定能分出来我们想要的，过上几天也是有可能的。

打核磁

好不容易过完柱子，拿到了分离的产物，那怎么确认它到底是不是我们想要的那种呢？

这就需要打核磁。它的原理其实和医院里的核磁共振一样，不过，实验室里这个核磁更小巧一些，一般是针对毫克级的样品进行检测。通过核磁共振的检测，我们就可以验证这个分离出的产物是不是就是我们想要的那个东西，确定下这个结果。

测电镜

但是，有了这个结果，可能还不够。因为这个物质的纯度可能还不够高，那怎么办呢？

对于纯度不高的物质，我们需要提纯，提纯后让它长出晶体，最好是长成一个叫单晶的东西。长完之后，我们就要在电子显微镜下面进行测定，也就是“测电镜”。

洗瓶子

洗瓶子其实也是化学实验室里非常重要的动作。

如果瓶子没洗干净，留下一些杂质，就很可能导致后面的化学反应失败。但有的时候，瓶子洗得太干净也不行，比如前面说，测电镜找单晶，可有时候瓶子洗得太干净，单晶却会长不出来。

所以，你看，化学实验室里的每个行为，其实背后都是有学问的。

化学实验室里的无限可能性

做实验的过程，听起来有点枯燥，而且有时还得不到想要的结果——那我们为什么还需要做这些实验？

简单说，做实验真的有好处。

比如富勒烯（C60），按分子的说法其实是碳 60，因为它是 60 个碳原子去构成的球形分子。这个分子是怎么被发现的呢？

富勒烯分子，看起来像个足球| 图虫创意

两百多年前，人类就已经在想办法去探测太阳或者更远的地方有什么化学物质。比如，宇宙中那些“黑”的地方，里面是什么？化学家也想知道，于是去做一些光谱测试，因为即使是“黑”的地方，它可能也会有一些光谱打过来。

上世纪 50 年代，就有一些太空里面的分子被查出来了，但是，它们的光谱打出来之后，科学家发现，在地球上找不到一模一样的光谱，这就说明，太空里的这些分子是人类到目前为止还不认识的。

其中一个，就是富勒烯的光谱。当时，我们还不知道它是长成这样。化学家在实验室想了很多办法去合成跟它相似的东西，但是，始终都没有想到是这样一个球形分子。做了大概十几年，有一个化学家突发奇想，用一些电弧的方法，就做出了这样一个东西，然后拿去检测，就发现：这不是由碳原子构成的一个纯单质嘛，而且是 60 个碳，像足球一样的完整分子。后来，这位化学家也因为这项工作获得了 1996 年的诺贝尔化学奖。

化学实验虽然确实枯燥，可能需要一代人甚至几代人去做实验和验证，但是，当我们发现它的时候，你就会觉得：原来这个自然世界如此有意思。

当然，后来科学家又发现，这个碳 60 其实也没有那么难获取，你在家里面哪怕点一根蜡烛，烧出的碳灰里就能找到这个分子，听起来也有点像“蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”。

确实，化学发现经常是在不经意间发生的。

比方说，碳如果不是像富勒烯那样形成球，而是完全铺平，就是石墨烯分子，石墨烯叠起来之后是石墨，每一层就是石墨烯，但是想把这个石墨一个个切片切成石墨烯，那是不可能的，因为它只有一个原子那么厚。

但是在二十年前，有一位叫安德烈·海姆的科学家，他想，我不是不能够用刀把它切开嘛，那我换一个方式吧，用胶带。

我们知道，用胶带撕东西的时候，会把一些物质从中间给它撕开，那么，多撕几次，是不是就能把这个石墨给撕开呢？这个实验方式看起来有点搞笑，但他最后还真的做成了，将石墨做成了单层的石墨烯。

化学给我们的生活带来了什么？

化学实验室里有很多和我们生活密切相关的事情。

比如电动汽车里都会用到的锂离子电池。现在，我们的家用汽车都在从原来的燃油汽车往电动汽车过渡，电动汽车就需要用电池。以前的电池容量不太够，效率也不太高。后来，锂离子电池出现了。锂离子电池的厉害在哪里呢？以前电池在充电的时候会有个记忆效应，如果没有把电用完立即就去充电，那么电池就会记住这个电量，以后再用到这个电量的时候，电池就显示没电了。但锂离子电池不会，而是在每次反应完了之后都把电量用完，然后再充进去。

还有像医院里用的注射器，也需要很多化学知识才能生产出来。药品跟化学就更相关了，比如我们熟悉的阿司匹林，化学专业的学生上有机化学的第一个实验一般就是制作阿司匹林，它是非常经典的用化学方法合成的一种药物。

再比如，加工芯片需要用光刻机或是高纯度的硅片，这些物质和加工的工艺，同样需要化学支撑，化学工艺足够发达，才有可能生产出纯度为 99.9999999999%的高纯硅（9 的数字要达到 12 个），如果达不到这个水平，计算机在运算的时候就容易出 bug。还有光刻机里要用到的光刻胶，也要通过化学方法，才能合成我们做芯片所需要程度的光刻胶。

未来，化学还可以做什么？

未来，化学能做的事情更多。

比如，AI 相关的技术，需要用到芯片，还需要很多算法，还要用到一些传感器，这些传感器也需要通过化学方法合成。比如触觉，怎么才能传递到人体呢？当然需要我们先把人体自己的化学机制弄清楚，再去找到相应的材料，再把触觉模拟出来。

还有我们会担心水污染和空气污染，但实际上，通过新的化学知识，可以让水和空气变得更加洁净。如果说切身体会的话，最近十多年来，北京的空气质量越来越好，其中就离不开很多化学家的贡献。

未来，还有很多深空探测、入地还有下海的过程，也需要很多新材料的支撑。

还有，现在能源越来越缺乏，我们不能总依赖那些化石能源比如石油或煤炭，因为这些资源总会挖光的，而且它们燃烧产生的二氧化碳，也会带来温室气体效应。那怎么办呢？这就需要利用一些新能源，比如太阳能、水电或者风能。要发展这些能源，就需要用到很多化学知识，因为需要加工很多材料，比如风电，它表面有一层散热层，就会用到石墨烯作为原材料去做这个散热层。

策划制作

作者丨孙亚飞 科普作家

审核丨穆云松 中国人民大学化学与生命资源学院环境科学与工程系主任、副教授

责编丨杨杨