这个最虐理科生的专业，被误解太久了

原标题：这个最虐理科生的专业，被误解太久了

“化学是一个没有光环的学科。”中国科学技术大学副教授梁琰说道。

和物理学、天文学相比，化学的“污名化”由来已久。

化纤材质的衣服意味着品质低劣；化工合成暗示着毒性；塑料这种高分子化合物则是化学被污名化的集大成者，值得玩味的是，这种情形恰好来自塑料的不可或缺。

“化学太实际了，不像物理学和天文学那样自带光环，研究的都是一些超越性的问题。化学研究更多地体现在应用层面，和日常生活息息相关，以至于人们感受不到它好的一面，看到的都是负面的东西。所以说，化学是一个受到不公正待遇的学科。”

在梁琰看来，化学不仅不“丑陋”，而且极具美感，他希望能够为这门古老的学科“正名”。

碘化铅沉淀/《美丽化学》

2014年，中国科学技术大学先进技术研究院和清华大学出版社联合制作的原创科学传播项目《美丽化学》启动，梁琰是这个项目的负责人。

2015年2月，《美丽化学》获得由美国国家科学基金会（NSF）和美国《大众科学》杂志举办的Vizzies国际科学可视化竞赛视频类专家奖，这是中国大陆团队首次在Vizzies中获奖。

而它更大的意义，则是扭转了公众对化学的认知。

科学家关心“美从何来”

在梁琰看来，艺术家和科学家看到的美并不相同，科学家看见美，是因为他们明白“美从何来”。

“人们都说孔雀的羽毛很美，艺术家会停留在外表美和感官美，科学家则会研究‘羽毛的瑰丽色彩是否和它的微观结构相关，而改变其微观结构是否就能得到不同的色彩’这样的问题。”

硝酸银和铬酸钾反应 /《美丽化学》

梁琰觉得，科学家若是认为孔雀的羽毛很美，是在了解它为什么会呈现这样的样态、其顶部的眼睛图案从何而来之后。“这个‘美’里面有很多值得探索的东西，这种感知美的方式是科学独有的。”

化学的美同样基于对科学原理的了解。

例如，浓度所带来的平衡极为微妙，在《美丽化学》中，浓度差异会对置换反应中银的形态和生长有很大的影响；

而人们认为有毒的物质，在浓度适宜的时候，有可能会成为人体所必需的营养物质，一旦高出一定范畴就带有毒性。

铜置换出银/《美丽化学》

“所以我很喜欢作家蒋勋的一句话，他说：‘在美的领域，有的只是差异。’” 梁琰说。

《美丽化学》之后，2017年《重现化学》推出，尽管两个系列不尽相同，但化学反应的主题贯穿始终。

在技术的辅助下，令人难以置信的化学反应世界呈现在观众面前：

沉淀反应中的物质形如深海中的水母；氯化钴在硅酸钠溶液中的反应就像微生物在捕食；硝酸银和氯化钠生成氯化银的过程如同奔腾的瀑布；而氯化铵晶体和山脉、水系的分布形态如出一辙。

铅的置换 /《美丽化学》

“化学的‘化’有变化的意思，随着技术进步，我们知道了物质的性质和它的微观结构息息相关，而科技进步能让我们从原子、分子层面倒推宏观物质的种种属性。这种对微观世界的探索，在化学家看来是很美的事情。”

索烃——操控微观世界的一小步

人类希望操控微观世界的野心由来已久。1959年，理查德·费曼在美国物理学会年会上发表了名为《底层的丰富》(There's Plenty of Room at the Bottom)的演讲。

“我想谈的是在微小尺度上操纵和控制物体的问题……如果可以依我们想要的方式一个一个地排列原子，会怎样呢？最终我们可以做化学合成，一个化学家会跑来找我们，说：‘我想要个分子，排列是这样排的，帮我造出来。’”费曼说。

费曼对纳米科技天才般的预言很快变为现实。

1983年，化学家让-皮埃尔·索瓦日成功地将两个环状分子连接在一起，形成了一条特殊的“分子锁链”，学名“索烃”。

2016年，诺贝尔化学奖颁给了三位从事基础化学研究的科学家，以表彰“分子机器的设计与合成”这一研究成果。其中一名获奖者就是索瓦日，他合成的索烃被视为人类迈向“分子机器”的第一步。

梁琰表示，索烃的意义在于为科学研究提供了更广阔的可能性。

“做出一个索烃，真正能解决什么实际的问题吗？很可能不会。但这项技术对于化学合成的推进作用，很可能会加速其他研究领域的技术进步。”

但是，谈及人类通过对微观世界的操控以达到操控宏观世界的想法，为时尚早。梁琰认为，目前，这还属于“科幻小说的题材”。

掌握了化学，可以从而掌控世界吗？ /《生化危机》

“我们虽然有各式各样的合成技术，但我们对微观世界的操控效率还很低，比如索烃的成环反应，你可以把这个过程想象为很多长链分子首位连接起来形成环状分子，这时只有非常偶然的情况两个分子环才会锁在一起。所以最初索烃的合成产率非常低。类似地，在微观世界我们还有许多事做不了。”

而那些大量存在于应用层面的技术，人类也仅仅略知一二。

对于化学世界，人类还有巨大的认知空间 。

“纳米科技随处可见，在化妆品、牙膏和防晒霜都有。但它对人体究竟有什么影响仍然没有定论。《寂静的春天》一书里提到杀虫剂，刚开始人们并不知道它的副作用。它对环境的破坏作用，经过很长时间才搞清楚。”

有意思的是，不论科学家在各自的研究领域做出了多少努力和成果，一旦面对大众，就不免会被问：研究这些有什么用？

可这正是科学研究的逻辑——研究并非只是为了有用。

一些科学发现似乎毫无用武之地，但它们却为技术革新提供了条件，为新的科学发现带来了可能，并最终影响了全人类的生活。

这正如费曼所言：“物理学与性爱有相似之处：它可能会产生某些实在的结果，但这并不是我们做它的初衷。”

日常需要化妆的你，天天都在往脸上抹化学试剂。

在中国，“有用论”经久不衰。不得不承认，一个将“难得糊涂”视为美德的国度，实在算不上具有强烈的科学探索精神。

梁琰对此多少有些无奈：“这跟我们的文化有关，我们不是那么较真儿的民族，所以科学发源于西方不足为奇，这和他们一直想探究本质的驱动力有关。”

梁琰坦言，很多科学家对和媒体、大众打交道并不是很积极。“他们已经有自己的群体，所有的成就感、幸福感都可以从这个群体中获得。”

我们拍不到分子，只能“摸”到分子

“化学结构”模块在“美丽化学”这个网站上尤为突出，这些瑰丽缤纷的分子结构图，让很多人初次看到时会误以为是“拍”下来的照片。

梁琰表示，“拍”到是不可能的，现阶段人类只能“摸”到它们。

进入水中的钠 /《美丽化学》

“所谓‘拍’到原子和分子，并不是真正意义上的‘拍’到，因为在原子和分子的维度里，光已经不是我们通常意义上讲的光。

所以，‘美丽化学’网站上所展示的分子结构只是电脑模型。我们可以通过精密仪器‘看’到原子和分子，但可能用‘摸’到更形象一些。

有一种精密仪器叫原子力显微镜，这种显微镜有一个特别精细的探针，这个探针的针尖可以是一个一氧化碳分子，当它触碰到被测分子的不同部位时，会有不一样的反应。这些反应的相关数据会通过电脑呈现，让我们好像看到了分子。”

浸泡在氢氧化钠溶液中的夏槿花朵 /《美丽化学》

“化学结构”模块中，晶体的对称性令人啧啧称奇，这种极度对称甚至有些“不自然”。

事实上，晶体的对称性是晶体极其重要的性质，某种程度上，我们可以理解为自然界的设计有它自己的“目的”，或者说策略。

“物质可以粗略地划分为有序、无序两种状态，晶体就属于有序的状态，晶体内部的结构是对称性的。冰也是一种晶体，所以它内部的分子排列也是对称的，这种对称的情况非常普遍。

从另一个角度来讲，比如食盐颗粒是一个立方体，而食盐的微观原子排列可以找到很多方格子；绿宝石或者蓝宝石的六棱柱结构在微观层面就会呈现六边形，这种对应关系比比皆是。”

硫酸铜结晶 /《美丽化学》

梁琰表示，晶体的对称性结构使得它处于相对稳定的状态，而晶体的格子构造是晶体实现最小内能的结果，为了达到最低能量状态，则要求原子在固体中有规则地排列。

“另一方面，当物质以无序状态比如以液体的形态存在时，能量就比较高。水一旦结冰，能量就降低了，变成了更有序的状态，这里面的确存在某种规律。”梁琰说。

只有在感性和认知的层面有共通的感觉，

人才会对一件事产生兴趣

1987年，美国计算机科学家布鲁斯·麦考梅克提出“科学可视化”概念，即利用计算机图形学来创建视觉图像，帮助人们理解科技概念或结果。

从明尼苏达大学博士毕业之后，梁琰加入哈佛大学生物化学博士盖尔·麦吉尔创办的科学可视化公司Digizyme，正式成为一名科学可视化艺术家。

后来，梁琰离开Digizyme，一时间找不到工作，他选择当一名自由职业者。在这期间，梁琰接到了一个来自北卡罗来纳大学的订单，这成为他职业生涯的突破点。

“美丽化学”网站中的一些可视化呈现。

“对方发表了一篇刊载于《科学》杂志的文章，希望我能帮他们做一个封面。这个封面要展现气管表皮细胞的纤毛结构，研究人员发现纤毛上附着一些聚合物，像刷子一样。对我来说，能在世界顶级刊物封面刊登自己的作品，是一种荣誉。”

之后，梁琰的科学可视化作品陆续出现在《自然·材料》《自然·光子学》《自然·生物技术》等杂志的封面上。

“《自然·材料》的封面展示了当纳米粒子小到一定程度，就不再是固体的概念，而和液体很像；《自然·光子学》则展示了频率梳的结构和机理。”

《美丽化学》：美丽的化学结构

现在，梁琰正在把精力投入教育领域，他希望让更多的孩子对科学产生兴趣。

“前不久，我们去深圳听了一位小学老师做的公开课。这位老师在讲到声音的高低时觉得很困难，因为声音高低虽然能听出来，但要把声音高低和振动频率之间的关系说清楚就不容易了。”

梁琰和他的团队用高速摄影的方式，让孩子们亲眼看到了声音高低时的振动频率，“这种直观的理解很重要”。

将学科变得有趣，是让学生产生兴趣的重要动力。

“首先我们让孩子看到科学原理的运作机制，之后还可以加入一些情感和美感的元素，让孩子意识到科学不仅有趣，更有温度。”

在梁琰看来，人只有在认知和感性层面对一件事产生了共鸣，才会真正发生兴趣。

而他现在所做的事情，正是呈现事物感性的一面，不论是它们的微观结构还是流露的美感，都足以让更多人对世界的“本质”产生兴趣。

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✎作者 | 宋爽

原标题：《化学不丑，它很美》

本文首发于《新周刊》558期

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