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科学可视化:带你发现科学背后的那些美  

2018-05-13 08:08:46|  分类: 【科普技术】 |  标签: |举报 |字号 订阅

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   谈到化学,大家的第一反应恐怕是枯燥的公式和无尽的考试。当初为了记下这些复杂的反应式,大家肯定没少下功夫。但接下来要讲的化学,可能是有史以来,中国科学家制作的关于化学最酷的作品。

  沉淀之美

  先来看两个相对简单的化学反应方程式:

  学渣眼里看到的是:一串字母+数字。学霸则表示:这不是简单的沉淀反应嘛。而我却要告诉你,这其实是一道极美的风景:显微摄影镜头下的沉淀反应,如奔腾的瀑布一般,倾泻而下!  

硝酸银和氯化钠反应    硝酸银和铬酸钾反应
  硝酸银和氯化钠反应                 硝酸银和铬酸钾反应

  这是中科大团队和清华大学出版社在2014年做的一个  “美丽化学”项目,为了把化学的美丽展现出来,我拍了不同类型的化学影片,以及用电脑动画展示了很多和化学结构、化学史相关的东西。在美丽化学网站,你可以清晰地看到一朵夏槿花在氢氧化钠溶液中变色的全过程,也可以看到金属铜如何将硝酸银溶液中的金属银置换出来,变成一棵棵美丽的“银树”……这就是我的工作,用影像和动画的方式告诉大家:化学,原来可以如此美丽。

氯化钡沉淀反应   
    氯化钡沉淀反应
放热反应:钠放入水中 放热反应:钠放入水中
锌置换铜锌置换铜
钾元素燃烧钾元素燃烧

  2017年“美丽科学”和中国化学会合作一个“重现化学”的项目,在“重现化学”里拍了16个更加精美的化学反应影片。在这些影片中,制作团队更注重音乐与整体艺术的搭配。

结晶之美结晶之美
铬酸钾结晶铬酸钾结晶

  化学到底美不美呢?答案是肯定的,尤其是一些晶体。早期关于晶体内部结构的研究是1665年,罗伯特·胡克开展的。当时他用显微镜观察了很多水晶的表面,发现表面的形状都是非常规则,他猜测可能是因为内部微粒的规则排列导致的。此外,一位叫阿羽伊的法国科学家,通过把数学和晶体的微观结构联系起来,用数学原理来解释为什么同一种物质会有不同形状的晶体。

  1883年,科学家已经知道了原子论,了解到物质是由看不见的原子构成的,但仍无法准确知道原子在晶体内部是如何排列的。

 现在我们通过X射线衍射的方式,知道氯化钠晶体内部是非常规则、非常美丽的。图中白色的表示的是氯离子,蓝色的是钠离子

现在我们通过X射线衍射的方式,知道氯化钠晶体内部是非常规则、非常美丽的。图中白色的表示的是氯离子,蓝色的是钠离子

这是绿宝石的结构,晶体的内部结构如同外部的规则几何形状一般引人入胜
这是绿宝石的结构,晶体的内部结构如同外部的规则几何形状一般引人入胜
红宝石的结构红宝石的结构
水晶的结构水晶的结构

  另外,通过金属置换反应,我们可以生产金属晶体。我们拍摄了两种反应,一种是锌置换铅的反应,另一类是铜置换银的反应。因为银是银白色的,铅则有点发黑,所以这部影片的名字就叫《黑与白》,位列2016年国家地理短片电影精选排名前十。

  通过视频,不难看出化学其实是一门很美的学科。所以当我们要背枯燥的方程式时,想想背后这些美丽的画面,可能就不会讨厌它了。现在人类在面临非常多的问题:环境、能源、食品等,都和化学息息相关,未来我们需要更多的化学家,来解决这些特别棘手的问题。

  自然界的艺术形态之美

  其实不仅只讨论化学,我们所说的是科学之美,包括很多学科,比如生命科学。生命科学研究各种各样的千奇百怪的生命形态。

  德国的一位科学家恩斯特·海克尔,出版过一部著名的作品,叫《自然界的艺术形态》,书中他用一百张精美的插画展现生命的美丽的形态。

各种各样的水母各种各样的水母
鼓藻,单细胞的生命,呈现如此漂亮的形态鼓藻,单细胞的生命,呈现如此漂亮的形态

  放射虫,一种单细胞生命,外壳是外骨骼,结构非常复杂,但是成份却非常简单,和沙子一样都是二氧化硅

  神奇的水果放电实验

  这样的西红柿大家见过没?外面发光的其实是闪电。如何拍到这样的画面呢,我们通过一种叫基尔里安摄影术实验便可完成。首先在一个玻璃器皿底部覆盖一层食盐水,将西红柿的切面贴在容器底部,并将高压发生器的两端分别连接西红柿和食盐水,便会产生这样的放电现象。

  不光西红柿可以放电,我们团队还“折磨”了很多其他的水果:橘子、苹果,拍出的图片都非常漂亮。

高压放电高压放电

  认知层面的美

  刚才展现的化学的美、生命形态的美、放电的美,这些美都是感官层面的,是一种感性的美。但科学的美不仅仅停留在感性层面,更多的是在理性的层面,曼彻斯特大学Brain Cox教授说过一句话:“The world is beautiful to look at but it’s even more beautiful to  understand”翻译过来就是我们能感受到世界是很美的,世界有很多很美的景色,一旦我们能知道它运作的规律,我们能理解自然的话,我们会发现它更美。这种美便是一种理性的美,是一种认知层面的美。科学知识不但能帮助我们更深入地理解自然的美丽和伟大,还会引发我们提出更多问题,激励我们在未知领域进行探索。

  热成像之美

  只要是温度不是绝对零度,物质都会发出红外线,温度越高发的红外线越强,温度越低的发的红外线越弱。如果我们可以捕捉红外线,就能转化成物体表面的温度信息。

  接开水如果在红外热成像下是什么样的,假设我们的眼睛可以看到热,大概是这个样子。

热成像下的荷花热成像下的荷花

  在热成像的下可以看到荷花是很热的,尤其是中间温度可达32到34度。那么它是如何把自己加热的,为什么要放热?科学家认为通过此举可以吸引到传粉的昆虫。

                      撰文 | 梁琰 “美丽科学”创始人 中国科学技术大学科技传播系特任副研究员

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