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听大学校长、院士聊化学（视频与文字实录及报道）作者：教子砖家梦里江河梦里江河的话： 网友留言：博主，陈麟跟你儿子同学吗？压力大么？恨铁不成钢，恨子不成才，望其项背，有没有这种感觉啊？ 呵呵，我可没想过和别人换啊。在这个优秀的集体里，每个孩子都有其独特的优秀，他们彼此欣赏，相互帮助，相互启迪，共同进步，将来都能获得个性化的成功。 我和儿子经常谈论的主题之一，就是“欣赏同学的哪些优点”。发现同学的优点，学习同学的优点，是我儿子的一种习惯。 在“大学校长首场巡讲”中，那个第一个提问的“人大附中的学生”，就是我儿子。主持聊天活动的复旦杨玉良校长说“这是非常重要、非常好的问题”，他显得很重视，先请北大周其凤校长作答，然后自己再补充回答。 15位院士，包括中科院院长和3位著名大学校长，来和中学生聊化学，聊人生，聊事业，内容很丰富、很精彩。我把视频链接和文字实录都放在这里了，推荐给家长和孩子们。 儿子说很喜欢杨玉良校长谈吐中的风度气质和主持中的掌控能力，但这些校长、院士只有他一个是头发花白的，别人都是头发漆黑的。我说，关键是“漆”。 现今中科院院长、北大、复旦、中科大的校长都是搞化学的，巧合吗？ 这是梦里江河的儿子在向复旦大学杨玉良校长提问，他是第一个被点到提问的，但并非事先安排好的，问题也是自己准备的，被复旦校长和北大校长联合回答了。 其视频链接在中科院网站，请点击：中学生与院士互动 北大、中科大校长讲座视频：/spzb1/gjhxn/先把我儿子的提问和北大、复旦校长的回答放在前面哈：我儿子：杨老师好，各位专家好，我是来自人大附中的学生。我们知道，近些年中学生可以参加化学实验和其他研究项目的机会是越来越多，所以我想请问各位专家，您认为中学生参加各种化学试验项目和研究得到的好处有哪些，我们中学生应该以怎样的心态来参加化学实验和其他研究活动？杨玉良:这是非常重要、非常好的问题，因为这个问题跟教育有关系，所以请周校长来回答。周其凤：因为在中学里有很多的功课要学习，所以我的建议第一还是要把各门功课比较均衡地学好一点。因为你首先要及格，要升级，这个很重要。但是，如果你有条件，自己有余地，学校也有这个条件，也有这个兴趣，我想你可以多参加化学试验。周其凤：多参加的好处是多样的，因为化学是一个创造性的科学，你多参加会亲手亲身的感受到它的神奇，感受到做化学的乐趣，这会培养你的兴趣。因为做任何的事情兴趣是很重要的，如果通过这个能够提高你对化学的兴趣，甚至引导你将来做更多的化学这方面的学习和研究的话，这个收获就是最大的。不在于它对你巩固书本知识有多少好处，当然也有好处，也不在于这里给了你多少启示，而第一位的应该是提高你的兴趣。周其凤：当然它能锻炼你的思维，你在做实验的过程里，你会考虑到很多的问题，包括这个事情应该怎么做，它的背景怎么样，然后你充满着预期，充满着好奇，会有新的发现，所以这些都是非常重要的。如果你自己也有余地，也有这个条件，不妨多参加一些。杨玉良:我也是校长，我也是搞化学，如果不插一句话好象不公平。实际上任何知识都应该在整个知识系统里来认识这门知识，如果仅仅从化学到化学你不会理解化学，所以在整个人类的知识系统当中来看到化学的作用，这是一。杨玉良:第二，至于参加实验，其实道理很简单，我们开玩笑说化学就跟厨师一样，你就是炒东西，如果你读菜谱的话，是永远成为不了厨师的，所以你总得要上手去做。杨玉良:至于从什么时候开始做，就是你具有一定的化学知识，而且你具有一定的行为能力，你就可以做化学实验。“科学与中国国际化学年大学校长巡讲团”首场报告会（文字实录）中国科学院副院长李静海院士主持报告会李静海：尊敬的白春礼院长，各位来宾，各位朋友，感谢大家来参加今天的科普活动，首先请允许我介绍参加今天活动的的科学家们。参加本次活动的有中国科学院院长白春礼院士、陈凯先院士、程津培院士、高松院士、何鸣元院士、侯建国院士、李灿院士、杨玉良院士、张玉奎院士、赵玉芬院士、郑兰荪院士和周其凤院士。参加今天活动的同学们来自于北京大学附中、北师大附中、北京第四中学、第五中学、第八中学、第三十五中学、东城区科技馆，景山学校等，我们对各位同学和老师的到来表示热烈的欢迎！今年是居里夫人获得诺贝尔奖一百周年，以及国际化学会学会成立一百周年。为纪念化学学科在过去百年取得的成就以及对人类文明的贡献，2008年第63届联合国大会通过决议，将2011定为国际化学年，并确定化学年的主题是“化学，我们的生活，我们的未来”。中国化学会上一任理事长白春礼等一批化学家为推动议案获得通过发挥了重要作用，今年世界很多国家将组织国际化学年庆祝活动。中国科协、中国科学院也策划了系列活动，今天的活动就是这一系列活动的重要组成部分。今天第一项活动是中国科学院院士工作局和中国科学院国家科学图书馆联合举办的“化学创造美好生活2011年国际化学年纪念展”开展仪式，下面请白春礼院长为展览揭幕并致辞。中国科学院院长白春礼院士致辞白春礼:各位朋友，各位同学，在春意盎然之际，国家科学图书馆和中国科学院院士工作局共同组织了“化学创造美好生活2011国际化学年纪念展”，热烈庆祝2011国际化学年。回眸百年，展望未来，展览为热情好学的年轻朋友们提供了一个别开生面的学习化学的园地。展览揭幕仪式以后，还安排了校长巡讲团报告会以及和大家的交流互动活动，相信你们一定能够从化学家们身上学到很多知识以外的东西。化学是一门发现的科学，创造的科学，也是支撑国家安全和国民经济发展的科学，化学在解决粮食问题、战胜疾病、解决能源问题、改善环境问题、发展国家防御与安全所用的新材料和新技术等方面起着不可或缺的关键作用。希望今天的活动能够激发起你们学习化学、热爱化学的兴趣，为化学化工未来发展注入更加强大的动力和活力，中国科学院欢迎你们！谢谢大家。李静海：下面进行第二项活动，“科学与中国国际化学年大学校长巡讲团”报告会。这是由中国科学院与中共中央宣传部教育部、科技部、中国工程院等6家单位共同举办的高层次科普活动，巡讲团活动于2002年12月正式启动，活动旨在普及科学知识、弘扬科学精神，希望巡讲团向公众宣传科学知识和科学文化理念，在公众中形成共鸣，让科学亲近公众，让公众理解科学，支持科学，投身科学。今年国际化学年科学巡讲团将组织多场，主要有各大学化学专业的校长、院长领先，在全国几个城市巡讲，今天是第一讲，我们十分荣幸请到北京大学校长周其凤院士和中国科学技术大学侯建国院士为大家做科普报告，首先欢迎周其凤院士做报告入化出神。北京大学校长周其凤院士给中学生作报告出神入化周其凤：同学们好！今天见到来了这么多同学，会场坐得满满的，我还挺紧张的。主要是我本来化学就学得不太好，又做行政工作的时间也比较长了，所以觉得化学离我有点好象越来越远。我特别感谢组委会安排我做第一个报告。平时大家看节目，都是在序曲可以差一点，越到后面越精彩。我们上语文课的时候有一个词叫做“出神入化”，作为搞化学的我有自己的一点解释，就是你要“入”到化学这个领域要有点灵气，所以要“出神”，有一点点灵气才能搞化学，这个可能没错，但是我今天反过来说“入化出神”。从教育的角度说，你要将来真正不错，有点灵气，恐怕如果受一点化学的熏陶是很好的，所以欢迎大家来学化学，经过学习化学对你会有很好的锻炼，所以我就用了这样一个题目。刚才主持人说了，今年是国际化学年，主题是“化学，我们的生活，我们的未来”。大家都知道，化学是一门核心的科学，同时又很实用，充满着创造性，它是发现和创造新物质，并且在原子、分子及分子以上层次来研究物质变化和化学反应的科学，这是对于化学的一个理解。当然化学科学的核心部分，有机化学、物理化学、分析化学、高分子化学等一些内容，化学科学与生命、材料、能源、环境、信息等科学不断的交叉，就衍生出了很多分支的学科，像化学生物学、材料化学、环境化学、原料化学、放射化学等。最近大家比较关注的是放射化学的问题。放射化学这个学科也是非常重要的，核原料本身就是要用化学方法才能得到，而且包括里面其他的像燃料棒等都需要化学在里面发挥作用，所以放射化学现在就变得非常重要。这次国际化学年在中国还有一个活动，就是征集化学之歌。这个题目是我自己提出来的，所以我要带一个头。我写了一首歌，歌名是化学是你，化学是我：“有少年问我，化学究竟是什么，我说化学就是你，化学就是我；父母生下你我是化学过程的结果，你我的消化系统是化学过程的场所，记忆和思维活动要化学过程来描述，就是你我的喜怒哀乐也无非化学物质的神出鬼没。哦，化学，你原来如此神奇，却怎么还有人把你瞧不上眼，哦，没有关系，我将继续努力及为人类贡献一个更加美好的绿色明天；有少年问我，化学究竟为什么？我说：化学为了你，化学为了我，你要温暖，我要漂亮，化学为我们提供舒心的衣装，你要喝好，我要吃饱，化学为我们提供丰富的营养，你要飞天，我要探地，化学为我们提供充足的动力”我把这个歌词送给一个行家，他说你写得不好，所以他就作了修改，这样比较符合歌词，也更加押韵一点。今天我给大家做的报告完全是抛砖引玉，因为我们讨论国际化学年的时候，我提出来我们是不是可以征集歌曲，我就带了这个头，我希望大家能够响应化学部和中国化学会的号召，大家来创作化学的歌曲。现在这个作为一个“砖头”，我希望今后大家能够更多的来参与，特别是我们的同学们能发挥你们的聪明才智。下面我结合我自己了解的一些情况做个介绍。因为我主要是学高分子化学的，所以主要介绍这个方面。大家都知道，药物可以为健康保驾护航，比如大家都熟悉的阿司匹林，这个东西是非常神奇的东西，它能够对我们的健康有很多的帮助。医药是化学发挥作用的非常重要的场所。还有服务于信息技术的化学。以液晶显示为例，大家都有手机或者是家里有液晶显示电视、电脑等，化学在这里起到的作用非常大。有一种非常听话的分子，加一个电场可以驱动它，让它站起来或者是摔下去，通过化学家的设计和合成，做成配方来进行应用，这样就发挥了它的显示作用。这是化学应用于信息科技里的一个例子。现在大家特别关心我们生存环境的问题，我这里也举一个例子，是服务于环境保护的化学。以燃料电池为例，电池就是用化学家合成的材料。这个电池主要的组件是以高分子材料来做的，要用到多孔聚合物，也要用到作为离子导体的聚合物等。这是在做燃料电池方面一个简单的例子。通过这几个例子来告诉大家，化学在各个领域都可以充分发挥它的作用。以高分子为例，曾经有人请一个家庭做演示，就是请他们把家里凡是由高分子做的东西拿出来，看看他们家里还剩下什么东西。从家里衣服到小孩的玩具，到厨房的器具，到电视、微波炉等等都得搬出来，主人觉得他们自己也得出来，要不然他们就得脱光了，所以他们也就都出来了。当然这只是化学家通过化学的方法合成出来的材料，而我们人体自身也有由化学物质天然的高分子材料在里面发挥作用。由此可以看到化学家和高分子材料在我们的生活里所起的作用。这是高分子材料主要的用途，比如用在包装、家具、交通、电器等等，全球高分子材料的总产量是超过两亿吨的规模。这是一个很方便的方面，大家为什么喜欢高分子材料，就是拿塑料的包装来做比较，塑料的包装要方便很多，纸也是天然的高分子材料，这是天然高分子材料和合成高分子材料的比较。另外有一个表格说明用化学合成高分子材料可以比钢铁还要强，大家都知道炼钢的过程也包含着化学的过程，因为化学合成的高分子一般都是有机的物质，它不仅仅可以做很柔软的轮胎、包装的薄膜，同样可以做成非常好的材料，比如比钢还强的材料。我这个片是很老的片子，现在合成高分子材料的性质比这个还要好很多。图中蓝色部分是无机的材料，其中包括钢丝，很多部分都是人工合成高分子的材料，它的性能比用钢做的纤维要好的多。我们在座的杨玉良教授在这方面有巨大的贡献，大家如果有问题的话一会还可以问他，因为他一会要主持下面的讨论，有什么问题可以请他回答。化学进步靠很多的需求，我这里讲的是市场推手，化学进步首先很重要的是科学家们的兴趣，这是非常重要的。市场的需求，比如现在特别需要减少化学燃料的使用。另外要环境友好，而且在医学方面也要降低成本，提高这些化学品高分子材料，化学品的性能，当然要特别考虑它的价格等这些方面。以高分子为例，这里有一个片子，可以把它看作是几代的高分子。最底下很大的一块是通用高分子，通用高分子相对的它的知识含量比较低一点，所以它的性能也差一些，它市场的价钱也就比较低。在这个基础上，发展出的工程应用的材料，工程的高分子材料，它所含的知识含量也更高，当然它的市场价格也更高。最后是特种高分子，特种高分子是指各种各样有特别性能能够满足各种特殊需要的高性能的高分子材料，它的知识含量是更高，它在市场的价格当然也更高。要使得高分子有更好的发展，得到性能更好的材料，毫无疑问，需要各个学科的配合。高分子本身是化学一个分支，它需要跟化学其他的学科有交叉，但是同时也需要跟生命科学、信息科学、纳米科学等学科交叉，才能够进一步推动高分子科学的发展，能够置备出符合日益增长需要的高分子材料。因为现在大家都特别关心纳米材料，这个片子就是化学跟纳米科学结合的一个例子，从原理上可以给同学们一个基本的概念。这是用一个化学气象的方法，把原料加入炉子里，通过升温，通过一个模具，比如由铝做的模板，这样就可以得到纳米高分子材料。高分子材料是可以跟纳米科技方法结合起来，事实上高分子本身对于纳米科技的发展是起了作用，因为高分子本身在分项的过程里，它往往是在纳米级的水平上，所以高分子本身也可以做有些纳米材料的模板。当然，高分子同时跟纳米科技的结合可以制出各种纳米级高分子的材料。这是一个例子，就是做成场致发射，这是一个导电的纳米高分子材料，利用它的发射效应来制成场致发射器件。还可以做得更复杂一点，在纳米材料里比如金纳米，可以有高分子导电的性质，通过这种用在场发射或者是其他器件里的性能。这个例子是怎么样把金的纳米颗粒和纳米的高分子材料复合在一起，然后用他们来做器件。这个片子就是告诉我们用这种材料确实是得到材料有很好的场致发射的性质。纳米级导电高分子材料也可以做光电导的材料，因为它具有光电导的性质，这个地方就是复合纳米高分子的管子是怎么样在光的照射下表现出来光电导性质的例子。另外制纳米级高分子材料不仅仅是用刚才的例子，还可以有其他的方法来做，可以用电纺的技术，把高分子材料纺成纳米级的纳米线、纳米管子、纳米的纤维。在天然高分子或者是具有医学生物性质的高分子领域里有很好的用途。这是另外一个材料，也是通过电纺的办法来做，这是所谓透明质酸做的东西。这个材料在血管再生方面能够起到很好的作用。这是电纺得到纤维尺寸的情况。这是也是一个天然的高分子材料，可以通过电纺的办法来做，可以把高分子材料跟药物复合在一起，通过电纺的办法就可以直接纺到你的伤口上，可以很好的来修复皮肤。这就是为什么用这些材料有它很好的性质，最关键的是它没有毒性的，对人体非常友好，而且又有一定的强度，而且用完了以后，适当的通过生物化学的过程可以降解掉。大家都知道DNA，DNA在生命科学里发挥着非常重大的作用，化学家也有考虑用DNA做一些材料的尝试，因为DNA本身也是一个天然的高分子。这张片子用的是日本北海道的数据。北海道是产鲑鱼最出名的地方，这里会有鲑鱼精，一个渔场按照一年15000吨的鲑鱼精来算，DNA就有1200吨，这些DNA通过化学家的努力，可以在信息科技或者是生命医学领域做一些用途。这是纯的DNA粉末，通过化学方法可以做成DNA薄膜或者DNA纤维，根据你的需要，可以加进一些有用的东西。如果是用它来做治疗的话，可以有一些药物加进去；如果是在信息科技领域，可以把燃料的东西加进去，这就是在DNA里加燃料分子的示意图，是用来做发光的器件。我不敢说这个东西将来一定能够成为什么工业的用途，就是给同学们一个启示，化学家是做各种想像，进行各种探索，包括一般人不会想像的DNA也拿来跟显示器件联系起来，同学们可以进一步发挥自己的想像。前面讲到了一些高分子化学家怎么把高分子科学跟纳米科学、生命科学结合起来，发展一些新的材料的尝试。现在大家也特别关心的是化石燃料的问题，将来化石燃料没有了，是不是可以利用其他的能源，大家考虑比较多的是太阳能。若干年前有美国科学家做过一点研究，他是设想如果每年的化石材料，用植物生物制来代替可不可以。他就算了在美国有多少个英亩的农田来生产各种作物，大概有4.3300亿土地是可以生长作物的，主要作物占了25000亿，然后看美国消耗了多少原油，折算以后他发现，如果美国原油都用生物能来代替的话，需要生产主要作物两亿多英亩农田都来做这个，这个显然会有问题，因为大家都得吃饭，完全靠生物能做这个可能问题比较大。但是我要告诉大家的是，包括高分子在内的化学品，就是我们在原油里只有2%左右来做精细化工的，包括高分子材料，它所占农田的比例比较好，600万公顷土地就可以满足精细化工的要求。可能要特别花力气的不是来做燃油，因为做燃油烧掉的话，跟人抢口粮的问题会非常严重。但是，如果能够把它发展来做机器化工品还是非常有前途的，但是这是非常困难，需要化学家们巨大的努力。这个研究结果告诉我们，对做精细化工来说是可以以生物能完全替代化石燃料。生物燃料就是用太阳能，只不过通过生物合成的办法来做的。我们都知道二氧化碳加水，有太阳能的情况下就合成糖或者油脂类的东西，这些通过化学家们的努力可以转换成乳酸，糖和油的作用也可以变成聚合物。这是微生物在它的体内储藏碳源的方式，在它的体内可以合成这一类高分子材料的，因此我们也可以通过这个办法来利用太阳能，通过生物化学这样的方法来合成高分子材料。这里就涉及到大量化学的问题，也包括生物化学的问题，包括基因组的问题，我们需要通过基因组的方法来筛选出生物合成的煤。生物催化剂使得在微生物的体内增加产生这种聚合物的能力，或者让它改变，给它吃不同的葡萄糖、或者是植物油、甚至汽油，让它们按照化学家们设计好的物质来满足我们的需要。这是一个例子，通过基因的重组能够来改变微生物合成聚合物。这个例子告诉我们，对于某一种细菌来说，第一代只能在它的体内产生大概30%重量的聚合物，但是通过基因重组以后，得到的微生物它的体内可以聚集80%的聚合物，所以这个效率是很高的，如果在一个细胞里有80%的聚合物，对它的提纯和产量都是非常重要的，当然化学家还在努力，一个是提高产量，一个是控制产物的结构。这也是一个例子，两组经过基因重组以后的微生物的豆油，吃豆油以后就变成一个聚合物，吃葡萄糖得到另外结构的聚合物。前面跟大家说的是化学家、高分子科学家和生命科学家的合作，怎么能够通过改变，通过基因的重组来改变微生物的性质，它能够帮助我们来利用太阳能等合成我们所需要的东西。而且这些东西可以做成我们平常需要的材料，比如做成薄膜、纤维，或者是生物医用的材料。这里的红色的部分就是用微生物方法合成的聚酯，用它做成的纤维。蓝色是涤纶，这是现在产量特别大的，在我们服装里用的特别多的。当然不只是服装了，也可以用在其他的方面，包括饮料瓶子等。这方面不必过多的解释，我标出来的性能，从力学性能强度的角度来说，数值越高越好，我们从生物的方法，利用太阳能，利用二氧化碳和水，合成出来的性质比涤纶性质还要好，如果做成服装的话会更加耐穿。这些材料都是生物相容的结果，可以用来修复人体。这是脊椎系统可以用人工合成的示意图，在我们人体里，很多的部位都可以利用人工合成高分子材料进行修复。这都归功于高分子化学家们的努力，他们从第一代的高分子努力推出第二代的高分子、第三代的高分子、第四代高分子、第五代高分子等。一开始我就讲了，化学是一个创造性的科学，从高分子的例子就可以看到，最早科学家是利用天然高分子，比如做轮胎开始，然后做到人工高分子，橡胶、纤维等，然后再来做工程塑料等，化学家们包括高分子科学家们正在继续努力做这些事情。这是给同学们一点建议，要成为一个好的化学工作者，还是需要有比较广的基础训练，包括各个方面基础的知识。另外要有兴趣，将来要选择你喜欢的领域，这些领域应该是充满着希望的新生的领域，而且不管怎么样，你要非常欣赏你追求的过程。有时候我们经常讲过程是更重要的，当然还要有一点耐心，任何科学技术上要有所成就都是需要付出艰苦的努力。另外要特别关注交叉学科的发展。我大概就说这些，我上面讲的这些东西都是引自我的朋友或者是学者的一些材料，也包括我们学部给我提供的帮助，特别感谢大家。谢谢。李静海：谢谢周校长，我们后面还安排了一些跟科学家对话的活动，到时候大家再提问。下面请中国科学技术大学校长侯建国作报告，他的题目是纳米科学技术的前沿。中国科学技术大学校长侯建国院士给中学生作报告纳米科学技术的前沿。侯建国：各位同学，大家下午好，刚才周其凤老师已经介绍了化学年整个的启动情况，以及化学学科整体的情况。我今天下午和大家交流报告的是，通过一个技术领域纳米科学技术前沿物理化学，就大家所关心的科学技术问题，来和大家看看化学领域所关心的问题和发展的前景。今年是化学年，化学是研究物质的组成、结构、性质以及变化规律，创造新物质、新材料的科学。刚才周老师已经为我们介绍了，我们化学家在过去一个世纪里为人类创造了各种各样的材料，我们现在的生活基本上离不开这些化学合成的材料。人类社会发展总是在不断的进步，我们都希望有更好的生活，但是同时能源是有限的，环境也是非常脆弱的，所以对于我们未来科技的挑战以及我们的期待又非常多。具体到材料上来说，我们就希望以后能够制造出能够像纸一样轻，同时又像铁一样坚硬的复合材料。现在人类都离不开电子器件，包括计算机、手机，这些东西都是由一系列的电子元件所构成。我能不能继续把电子器件尺寸做得更小，能耗更小，同时功能更强大呢？还有，现在的能源问题是大家都谈论的问题，我们能不能制造出一些新的化学剂，用新的化学方法，直接利用太阳能从海上获取氢气，为人类提供能源呢？纳米科技，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用，和传统材料不一样的特点就是它由量子效益所控制，所以它有非常重要的特性。量子力学，量子力学有两个基本的原理，一个是测不准原理，也就是一个电子，它的热量和位置是一个常数，同时还有很重要是它有波粒二象性。电子在力学世界里，任何态只有一个状态，不能具有死和活的状态，这些都是很复杂。量子力学和宏观世界非常不一样，金属的纳米粒子的颜色是多彩的，如果我们把金属颗粒，比如金和银做成纳米尺寸大小，由于电子自由受限制，如果电子承担大于给他粒子的尺寸，那么它的边界就会受到限制，受到限制就受到量子力学的因素影响。比如碳原子，这是构成生命体和自然界最重要的元素，碳的元素在化学周期表是第六号，原子核有六个质子、六个中子。六个质子和六个中子形成碳的原子核，原子核周围有2个IS电子，它的轨道是球心对称分布的。这是第一层电子。第二层电子能量更高一点，所以它的活动半径更大一点，但是它也是球心对称分布。同时还有两个2P电子，把不同的碳原子组装起来，就是5个碳原子，是一个纳米的大小。由于轨道外的电子形成S轨道是对称的，P轨道是亚伦状的。不同的原子放在一起，不同原子电子就会相互作用，会形成各种各样的化学键。也是电子多函数在空间有不同的分布和对称的形式。由于各种各样的电子化学键，我们有可能把化学周期表不同的元素作为一个基本的结构单元来创造出我们所需要的各种各样的物质。我们通过利用不同的承接方式可以创造出自然界里不同的材料，具有完全不同的特性。比如像石墨，是一层一层的，每一层是六个碳原子组成一个六角形的结构联起来，它是一个层状的。金刚石是最坚硬的自然物体。石墨是很好的导电材料，但是用手一撕就可以撕开。这是碳纳米管，把石墨管卷起来形成碳纳米管，在管内和管外电子介的状态也不一样，管大小也不一样，也形成了同样是一个碳纳米管，但是它是半导体性质的。这些就是化学家过去构建不同材料一些基本的原理。分子尺度上的量子调控实际就是能级与波函数工程，怎么调整能量分立能级在核外分布的形式，能够把电子放在不同的能级上，如果没有掺杂的话就是一个绝缘体，掺杂就是到底。如果把两个原体形成分子，实际是进行波函数的改造，对它的承接方式进行改造，能够创造各种不同的材料。能级与波函数工程过去就有，但是那个时候不是主动的，现在我们能不能主动的来控制化学材料的合成，来设计化学合成的方法，制造出我们所需要的各种各样的材料。1959年，美国科学家在美国物理学会上曾经做过一个很重要的演讲，如果人们能够按照自己的意志来安排一个原子，将会产生怎么样的奇妙景象。当时59年还带有科学幻想的预见，但是今天我们逐步正在接近这种目标，虽然还有很多的困难克服，但是我们已经看到了解决这些问题的曙光。我们要分子和原子的尺度上来控制电子态的形式和波函数形成的结构，首先我们必须具备在原子和分子的层面上对电子态进行观察的工具以及操纵的工具，也就是说在纳米世界里需要我们的眼睛和手。在2006年科学家发明了一个机器，叫做扫描隧道显微镜，就使得我们人类第一次不仅能够直接看到电子波函数，看到原子的分子轨道在空间的分布形式，还可以对原子外的分子化学键进行一些控制。这是STM工作模式示意图，保证要有一个针尖，要非常细，有几个原则作为你探测的手段，也就是说眼睛和手。STM不仅使人类真正看到单个原子，也能够直接操作单个原子，IBM科学家用金属的原子在金属表面摆出一个IBM，这是最小的字。同时把铜原子在铁的表面摆一圈，把表面电子波放在里面，电子波受到限制，在里面产生了像水波钢设计的条纹，第一次真正给我们展示了电波波函数的设计。过去化学家了解分子的结构通过光谱的方式，比如把材料进行分解，用X光或者是电子显微镜，形成染色的图象来推测材料里面的结构和性质，以及通过红外光谱来了解由于分子合成以后会有振动，振动谱就像一个特殊分子的指纹一样，然后来分析分子结构是什么样子，通过分子推算它有什么样的振动谱。STM这个工具使得我们能够在一些特定的碳的体系里可以直接看到分子化学界形态，从时空的角度，这个图象是化学电子分布图象，这里有五边形和六边形的形态，这是导弹电子云的图象，这样可以把分子的结构确定下来。除了对于单个分子识别以外，同时可以利用分子进行手性识别，自然界产生手性来控制我们整个世界。一个分子分为左旋分子和右旋分子，从结构上很难区分出来，但是在性质上会发生很大的变化，比如氨基酸是生命体重要元素，氨基酸都是左旋的，右旋对人体是有害的。很多药物左旋的药物是有用的，化学家发明不对称的反映方法可以辨别出左旋和右旋。怎么样进行手性识别，由于手性的分子结构基本完全一样，只是静态对称的繁衍，所以在很多的光谱和结构的表征上是很难直接来进行分别。按照我们可以通过探测显微镜的方式来测分子波函数的分布，利用轨道波函数的分布就可以把手性的分子左旋和右旋确定出来。除了可以直接看到表面的分布，电子波函数的分布之外，我们还可以做的更多。X光可以穿透人体，然后把骨骼显现出来。一类分子是碳82的笼子，里面有一个重金属的元素被包围在笼子里，如果正常拍它的图形是看不到里面是不是有一个金属的原子在里面，如果我们通过对分子能量的扫描，可以把里面的重金属元素通过透视的方法确定出来，这是一个表征的方式。除了看到分子形态和电子波函数的轨道以外，我们还更希望能够控制这些原子和分子，然后实现特定的功能。比如负微分电子的效率，是50年代很著名的科学家提出的效率，单个分子由于量子力学效率是分离的，在一定的电压下轮机之间存在共振。这是一个最小的负微分电子效率。最小的二级管是多大呢？二级管就是单向导电，电流只能沿着一个方向走，所有电子都填埋在几代下面，导弹是空的，但是我们可以通过化学的方法在环境当中通过一些反映方式把碳原子上面其中一个用氮原子来取代，一旦取代了以后，我们就相当于在两个轮机之间所以是一个半导体的性质，就构成了单个分子的半导体。在氮掺杂的分子里就可以单向的导电性，实现最小的二级管开关。刚才讲的只是通过控制，我们能不能通过对化学介更主动和更精确的控制创造一些新的分子来。就像我们做手术一样，把化学键进行一些剪切改变分子的性质。这是一个金属碳氢分子，是碳原子，氮原子和氢原子组成的，最外面有八个氢原子，在金的表面没有磁性，我们利用扫描探针显微镜做成手术刀，把最外面八个氢原子切掉，就形成一个新的分子，这个分子就变成了有磁性的。这个过程就是一个分子，分子在金的表面，通过探测显微镜能量的注入，把上面八个氢分子切掉，由于苯环电子不饱和，就会和金表面产生一定的作用，产生一定新的分子，在这里形成一个磁性的分子。分子是很神奇的，它非常小，它是最小的具有完整特定功能的单元。既然可以做电阻效应，也可以做整流效应，还可以有一个单分子的效应，一个分子能不能一装多能，不仅做开关，还可以做整流呢？这是三聚氰胺，它是一个很有意思的分子，分子也是一个苯环，这是氮原子，蓝色是氢原子，放在金属的表面，最底下这两个氢原子会脱开，然后立在同源的表面，两个氢原子底下是完全对称的，我们可以通过转移的方式切掉，把最上面的氢原子切掉移植到这些地方来，这些分子结构本身不对称，造成电子结构的不对称，电子结构一旦不对称以后，它就具备了整流的效益。没有做之前是一个正常的电压曲线，现在剪切完一个，整流比可以达到34。最重要的是，它在过程当中还可以有很多电流的噪声出现，是周期性的，因为在电子电压下，分子氢键在两个稳定状态之间跳动，也就是说注入电子有弹性电子和非弹性电子，对于弹性电子来说能量没有改变，从上面传过分子到达电机，出现了整流效益。如果分子吸收电子的能量，碳氢间容量就会升高，而且状态高和低会造成电流的大小，而且这个速度是可以调整的，电压高就跳动的快，电压低就跳动的慢，机械的开关和电子整流一个分子同时实现了两种功能。能不能实现单分子的化学反应，这是最早的单分子化学反应的演示，这是非常经典的化学反应，这个分子可以切块，把碘原子移走，把苯环并在一起，并入以后再注入电子，就形成一个新分子的苯环。后面还可以利用扫描探测显微镜把一氧化碳，二氧化碳在铁的表面吸附了一个氧气，再把一氧化碳的分子可以移动到吸附氧上面，把电子注入氧，一氧化碳形成反应形成二氧化碳。最近我们也做了一个反过来的实验，二氧化碳的还原反应。二氧化碳排放很重要，怎样减少二氧化碳是全人类面临的课题。这里有很多方法，这里演示的方法就是在分子上，这是提供了一种思路。怎么样使得二氧化碳还原以后变成二氧化碳，一氧化碳是有燃料，可以烧，这是二氧化碳的表面，二氧化碳的表面有很多氧的空位，红的部分是氧原子，二氧化碳表面可以人为的形成很多的氧的空位，氧缺位以后，二氧化碳会吸附在氧缺位口，中间是碳原子，两边是氧原子，氧原子会吸附在氧空位上。二氧化碳碳和两个氧之间介和是很强但是由于吸附在这上面以后，就减弱了这个碳氧之间的强度，然后再加一点能量的注入，就能够使得二氧化碳其中碳氧键断掉，从而形成一氧化碳。这种反应很显然是非常低效率的，但是这种反应演示了一种可能性，或者给未来设计提供一些新的思路，也许今后我们能够沿着这样一些思路设计出一种可以工业化生产的二氧化碳还原一氧化碳的反应。再回到Feyeman重要的演讲，50多年过去了，我们正在一步一步接近当时科学家的预言。当时他演讲的题目译成中文是在底部有足够多的空间。他当时提出能够在最小的空间里，在原子和分子的尺度上来检测控制我们的世界，我们就能够创造出无限的可能性，包括制造出各种各样的对人类来说更加绿色、更加有效、更加有用的材料。这就是说化学会产生很多的空间，我想科学也会产生无尽的创造力。谢谢大家！复旦大学校长杨玉良院士主持与中学生面对面的交流杨玉良:谢谢侯建国校长，刚才两位校长给我们做了非常精彩的报告，大家一定感受到化学有多少神奇，一定有很多问题要提问，所以下面我们安排了院士与中学生面对面的交流。我非常高兴下面的工作由我来承担，我叫杨玉良，跟周老师一样是搞高分子化学的。我先问大家几个问题，请问刚才两个报告大家听懂了多少？大家一会有兴趣的地方就可以问。但是如果说没有听懂的话，你不要感到很沮丧，因为我听了半天都没有听懂，所以你们就没有心理压力了。接下来的互动环节可以非常简单，一个是大家有什么问题可以向我们的各位院士来提问，我们的同学们可能对各位院士具体的研究领域并不一定很了解，所以你们可以先把问题提给我，然后我给他们。主持人很有权利，我自己回答不出来就可以让他们回答。第二，在座的各位院士也可以来谈谈他们自己对化学的看法，对化学从事那么多多年研究以后有什么感受。我们先尊重听众，留一段时间让同学们首先来提问，什么问题都可以。学生：杨老师好，我是来自人大附中的学生。我们知道，近些年中学生可以参加化学实验和其他研究项目的机会是越来越多，所以我想请问各位专家，您认为中学生参加各种化学试验项目和研究所得到的好处有哪些，中学生以怎样的心态来参加化学实验活动？杨玉良:这是非常重要、非常好的问题，因为这个问题跟教育有关系，所以请周校长来回答。周其凤：因为在中学里有很多的功课要学习，所以我的建议第一还是要把各门功课比较均衡地学好一点。因为你首先要及格，要升级，这个很重要。但是，如果你有条件，自己有余地，学校也有这个条件，也有这个兴趣，我想你可以多参加化学试验。周其凤：多参加的好处是多样的，因为化学是一个创造性的科学，你多参加会亲手亲身的感受到它的神奇，感受到做化学的乐趣，这会培养你的兴趣。因为做任何的事情兴趣是很重要的，如果通过这个能够提高你对化学的兴趣，甚至引导你将来做更多的化学这方面的学习和研究的话，这个收获就是最大的。不在于它对你巩固书本知识有多少好处，当然也有好处，也不在于这里给了你多少启示，而第一位的应该是提高你的兴趣。周其凤：当然它能锻炼你的思维，你在做实验的过程里，你会考虑到很多的问题，包括这个事情应该怎么做，它的背景怎么样，然后你充满着预期，充满着好奇，会有新的发现，所以这些都是非常重要的。如果你自己也有余地，也有这个条件，不妨多参加一些。杨玉良:我也是校长，我也是搞化学，如果不插一句话好象不公平。实际上任何知识都应该在整个知识系统里来认识这门知识，如果仅仅从化学到化学你不会理解化学，所以在整个人类的知识系统当中来看到化学的作用，这是一。杨玉良:第二，至于参加实验，其实道理很简单，我们开玩笑说化学就跟厨师一样，你就是炒东西，如果你读菜谱的话，是永远成为不了厨师的，所以你总得要上手去做。杨玉良:至于从什么时候开始做，就是你具有一定的化学知识，而且你具有一定的行为能力，你就可以做化学实验。学生：谢谢，我是清华附中的学生，希望了解一点学术的问题，主要想了解一下杂化轨道的形成机理，包括对它基本的描述，比如它的波函数，和一般的原子轨道有什么不同吗？杨玉良:这个问题比较深奥，跟侯校长的报告有直接关系的，因为侯校长要讲的内容比较多，所以杂化轨道可能讲的不够清楚，所以请侯校长。侯建国：到现在为止，我们对整个量子力学不是特别的清楚，杂化轨道比如SP2、SP3，就是它在空间上形成分子，昨天有一个学生还问我画的杂化轨道代表是什么。量子力学表示方式是数学表示方式，任何一个方式都有一个正和负，这边表示是正，那边表示是负，是不是表示电子有正电和负电？也不完全是，完全是一个数学描述，电子的正负效应只有一个效应。杨玉良:接下来请北大的高松院士做一点补充。高松：我自己理解的杂化轨道，是化学家构造出来的一个理论来解释，在中学、大学用来解释一个分子长什么样，为什么它是平面，为什么它是四面体。四面体就是SP3，平面体就是SP2杂化。我们的教科书里有一个问题，把这种对于解释电子结构理论绝对化，而且把次序颠倒了，一般很多的书描述是有问题的，说有什么样的杂化轨道就有什么样的结构，从原理上讲是反过来的，就是分子长什么样。比如它是平面的，这个平面或者是一个四面体的结构，几何的构型、分子对称性决定了它中心原子要采取什么样的杂化轨道，中心原子杂化轨道和周围几个原子形成共价键，中心原子采用哪几个轨道来进行杂化，实际上几何结构就决定它要采取哪几个轨道来杂化，如果长成四面体，它就需要用一个S轨道用三个P来杂化。但是很多教科书写的是反的，在这里我想纠正一下这个概念。杨玉良:看来这个问题非常专业，所以你们也不用感到慌张，即使他们两个人做了那么详细的介绍，我仍然是一头雾水。我是这样一种感觉，如果你要烧绿豆粥的话，就把绿豆和粥杂化以后这个东西就是杂化粥，就是把S轨道和P轨道一杂化就是出现一个杂化轨道，只不过它更有方向性了。这个问题非常专业，如果这位同学还有兴趣的话，一会儿可以与院士们个别的交流。我把时间还是留给其他的同学。学生：刚才看的PPT介绍，很多研究化学材料为什么到最后不是化学，而是物理了。杨玉良:这个问题我做一个简要的回答，科学发展到现在，都涉及到每个学科里最基本的问题，在这些基本问题上，你是很难分得清楚这是化学还是生物，还是物理，所以这个特点恰恰表明了，如果你作为一名化学家的话，不得不要非常精通物理、数学，包括生物科学，如果微观到某一个分子和原子程度的话，化学和物理、数学在这个地方是共同绘制的，恰恰表明现在人类对这个问题已经探索得非常深了，这也是表明我们现在不要过分强调一个学科，如果把学科窄化了以后，就变成非常专业，专到一个很小的点上。作为我们学习来讲，包括作为研究来讲，要在整个人类知识的基础上来理解某一门学科它所处的地位和它能够起到的作用，这是最基本的办法。另一位人大附中学生在现场向院士提问这些图片都来自：/spzb1/gjhxn/tpbd/index.html学生：我是来自人大附中的学生。刚刚从几位教授报告当中，讲到了有关于新能源和高分子材料的内容，另外我们同学和老师也进行新能源化学的基础研究，对于未来这些新能源和智能材料、仿生材料前沿的技术，能否给我们进行一些比较宏观的介绍或者是前瞻性的讲解？杨玉良:程部长也当过校长，也在科技部当过部长，所以你对科技了解得比较全面。程津培：这个问题提的非常睿智，是一个很大的问题。目前我们所认识到的新能源在我们国家目前体系里包括风能、太阳能、生物质能，裂变和聚变，当然还有其他像潮汐能和地热能等还没有算到主流里去。太阳能就涉及到材料，如果变成有机的话又怎么去研究它呢？当然有很多化学的问题，怎么样进一步提高它的效率又有很多的问题，这样就涉及到化学里要提供最好的材料来能够吸收阳光，然后把能量转化出去。另外大规模的的光伏发电一定需要很好的出能设备，不然就会冲击电网，如果是成片太阳能的话，就会有大量的电在白天产生，在没有云彩情况下产生大量的电，到夜间又没有，这样对电网的冲击目前要靠智能电网解决，所以要研究除能的问题，包括风能也要有除能的问题。刚才周校长讲聚变，我们要从海水里提氘氢发生聚变，海水里氘氢发生聚变相当于300升的汽油，水要变油的话，1：300多划算，但是这样的聚变的产生，需要非常多的化学组去做工作，比如高能量的中子，怎么样把它的热引出来，那么高的能量拿什么东西管起来，产生高能将近一亿度，什么东西都要烧掉，所以你需要有很好的材料，需要有很好的传输设施，所有这些物质都是自然界不存在的。化学干什么？一个要把自然界存在的东西研究透，它里面的结构和功能，如何为人类服务。另外就是新的物质创造，这是化学家一个非常重要的领域，我们要不断改造目前有局限性材料的功能，发掘它的功能，另外我们要去创造新的物质，去产生服务于人类需要的一些新的材料。即便是生物过程，其核心的、实质性的问题也是化学。这样看来搞物理的把物质最微观的弄清楚看成是最大的目标，把最宏观的弄清楚也是最大的目标，天体是怎么产生的，天体朝着哪个方向去演化，地球为什么会发生地震等等，这些都要物理结合其他学科来解决。生物质转化成能量也有很多化学过程。我就简单说这些。学生:我是师大二附中的学生，我有两个问题，第一个问题，刚才在两位教授的PPT当中引用了很多英文，有很多单词都看不懂，所以我想问英语在化学学习当中的地位，第二刚才也是在PPT当中多次引用了“金属探针”的关键词，我对这个特别好奇，金属探针如何制作的，如何让它的针头只有一个原子。侯建国：有些英文是化学名词，还有一些英文翻译的不是特别准确，比如刚才提到的文章，译成中文是“底部有足够空间”，总感觉翻译不是味道，写成英文是希望大家理解得更好。当然英文的学习肯定对化学是非常重要，因为现在是全球化的时代，全球的科学家在研究共同的问题。金属探针是这样的，作为我们要来了解原子和分子这么小尺度物质的话，总需要眼睛和手。因为研究对象非常小，只能用原子来探测原子，可以通过量子力学相互作用来感受另外物体的形态和位置，这就是一个金属探针的意义。怎么来做金属探针，就是拿一个钨丝，在氯化钠通上电，通过氧化还原反应不断腐蚀针尖，这个过程可以控制得非常缓慢，这样就腐蚀出一个非常细的针尖。当然这个针尖并不是原子量级，还需要在做实验的过程中间来打磨针尖。为什么要做实验，做实验也是增加感觉，除了我们有书本知识要做科学研究，特别是实验科学有时候需要一些感觉的，比如有些研究生就能够把针尖做成一个原子，有的学生就不行。周其凤：我很抱歉，是我准备得不够好，我那里所有英文都可以翻译成中文，很抱歉。但是学英文还是很重要，因为我们各国的科学家要在一起交流，交流需要靠语言，只有两个办法，或者是我们去多学一点外文，或者是请老外多请一点中文。学语言中国人比较聪明，所以让中国人多学一点外文比较现实，让老外多学一点中文，他们还需要更多的训练，需要一些时间，所以同学们学好一门外语还是非常重要的。杨玉良:谢谢周校长，我们请稍微远一点的那位女同学提问。学生：我是北京市第35中的学生，最近有很多报道称日本9级大地震引起了核泄露，日本的核泄露对我国的核发展有什么样的警示，如果有一天我们中国发生了核泄露，我们应该采取怎样的方法来及时的有效制止它进一步对我们的身体或者是环境产生危害？谢谢。杨玉良:关于核问题，今天我们正好核化学专家们都不在，但是应该有人可以