大学化学, 2021, 36(10): 2107064-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202107064

 

诺贝尔奖成果就在我们身边

李红春, 吴红, 王钰熙, 冯红艳, 郑媛, 兰泉, 江国顺, 吴强华, 朱平平,

Nobel Prize in Our Life

Li Hongchun, Wu Hong, Wang Yuxi, Feng Hongyan, Zheng Yuan, Lan Quan, Jiang Guoshun, Wu Qianghua, Zhu Pingping,

通讯作者: 朱平平, Email: zhupp@ustc.edu.cn

收稿日期: 2021-07-16   接受日期: 2021-08-14  

基金资助: 2019年中国科学院科普项目(科普教育类)
2021年中国科学院科普项目(科普活动类)
中国科学技术大学2021年度校级本科质量工程项目.  2021xjyxm075

Received: 2021-07-16   Accepted: 2021-08-14  

Abstract

The Nobel Prize has become the highest honor of science nowadays, and the awarded achievements represent the most influential achievements in the process of human exploration of natural science. Although these achievements sound "high and cold", they are actually not far from our lives. This paper selects some Nobel Prize achievements which are closely related to our life and shows how these achievements affect our life through the life and dialogue of Dahua and Xiaoxue. This can further realize the importance of science and technology, and make people pay more attention to the development of science and technology, and stimulate teenager's enthusiasm for science and technology.

Keywords: Nobel Prize ; Life ; Development of science and technology

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本文引用格式

李红春, 吴红, 王钰熙, 冯红艳, 郑媛, 兰泉, 江国顺, 吴强华, 朱平平. 诺贝尔奖成果就在我们身边. 大学化学[J], 2021, 36(10): 2107064-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202107064

Li Hongchun. Nobel Prize in Our Life. University Chemistry[J], 2021, 36(10): 2107064-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202107064

诺贝尔奖自1901年首次颁奖至2020年,已有962人次及组织机构获奖,其中,624人次获得诺贝尔自然科学奖项(物理、化学、生理学或医学),占获奖总数的64.86% [1, 2],其中很多奖项,比如核能的发现、光纤通讯、合成氨的发明、光合作用的“开尔文循环”、DNA双螺旋结构等,都标志着人类科技的重大进展。诺贝尔奖成果正越来越多地应用到我们生活中,我们看病时拍的X光片,治疗肿瘤的放射性疗法,现在的丰衣足食,治疗疾病的药物,用到的各种电子产品⋯⋯它们要么是诺贝尔奖的直接成果,要么是在获奖成果基础上进一步衍生出来的[37],这样看来诺贝尔奖其实离我们生活很近,让我们跟随大华、小雪的脚步一同来感受下身边主要与化学相关的诺贝尔奖成果吧。

1 放射篇

今天是六一儿童节,大华和小雪(图 1)相约去参观地质博物馆,这里陈列着各种各样的化石标本,有生活在侏罗纪晚期的剑龙,距今有1亿5600万年,还有生活在白垩纪晚期的霸王龙,距今有6500万年。

图1

图1   大华(左)、小雪(右)——中国科学技术大学科普教育活动吉祥物


小雪一脸迷惑地问大华,“人类最多能活到100多岁,我们是怎么知道这些恐龙化石的年代的呢?它们可都是生活在成千上万年前啊!”

大华偷偷一笑,摸了摸小雪的头,“这就是科技的力量,让我们人类可以通过检测这些标本的放射性来判断它的年代?”

小雪一脸雾水,大华继续解释道:“我先来给你解释下什么是放射性。这是一种自然现象,物质是由原子组成的,每个原子中心都有一个原子核,大多数原子的原子核是稳定的,但有些是不稳定的,这些不稳定的原子通过核衰变会自发地放出射线,这就是‘放射性’。放出的这些射线包括α射线、β射线、γ射线等(图 2)。最早发现放射性的是贝克勒尔,但‘放射性’这个名称是由居里夫妇命名的,之后,居里夫妇对放射性元素进行了深入研究,在铀矿中发现了放射性元素‘钋’和‘镭’(图 3)。贝克勒尔(Henri Becquerel)、皮埃尔·居里(Pierre Curie)、玛丽·居里(Marie Curie)三位科学家因为发现放射性并对其进行深入研究而获得1903年的诺贝尔物理学奖[5, 8]。不幸的是1906年,皮埃尔∙居里车祸去世了,但居里夫人并没有因此停止放射性的研究,1910年,她最终完成了镭的分离并测定了其多种特性,也因此获得了1911年的诺贝尔化学奖[4, 9]。”

图2

图2   不同射线的穿透力示意图[4]


图3

图3   沥青铀矿和放射性元素钋、镭[4]


“哇哦,好厉害啊,诺贝尔奖于1901年首次颁发,那她岂不是第一位获诺贝尔奖的女性啦,而且还是第一位两次获得两个不同学科诺贝尔奖的科学家呢!”

“你说的没错,就是这么厉害。要注意的是,大剂量放射性照射对人体和动物存在损害作用,去年诺贝尔奖官方公布,居里夫人1899年到1902年在实验室中所使用的笔记本仍具有放射性,并将持续1500年。可想而知当年的居里夫人是冒着多大的风险在探索未知科学啊。不仅如此,她还发现了镭元素对抗击癌细胞的巨大作用,我们今天所利用的放射性治疗和X光都得益于居里夫人的研究。”大华一脸佩服地竖起大拇指。

“这样说来,放射性虽有一定危险性但确实也很重要,居里夫人的科学精神和科学态度值得我们好好学习呢。咦,大华,你提到的这个放射性和2011年福岛核泄漏事故中的放射性是一回事吗?”

“是一样的,福岛核事故泄漏了很多裂变物质,其中铯-137、铯-134和碘-131三种人工放射性元素在北半球多个检测站被检测到[10, 11],引起了民众的恐慌,这次核泄漏事件对环境造成的损害很惨重,而且会影响很长时间。放射性物质是一把双刃剑,在医学、核能利用等方面对人类有积极作用,利用不当会造成致命影响,所以在使用放射性物质时一定要谨慎。”

小雪认真地点了点头,继续追问道:“那大华你说的人工放射性和天然放射性有什么区别啊?是不是一个是自然存在的放射性,一个是人工实现的放射性呢?”

“小雪真聪明,居里夫人他们发现和研究的是物质的天然放射性,而人工放射性是指人工实现的放射性元素具有的放射性,这一现象是由约里奥-居里夫妇(Frédéric Joliot, Irène Joliot-Curie)于1934年发现的,约里奥-居里夫妇也因此获得了1935年的诺贝尔化学奖[4, 12]。”

“大华,前面你提到了这么多科学家,怎么名字里好像都有居里呢?难道他们是一家人吗?”

“你听得还挺仔细的嘛,他们确实是一家人,约里奥-居里夫妇是老居里夫妇的女儿和女婿,在一个家族中产生四位诺贝尔获奖者还是极其少见的呢。”

“确实很少见,太厉害啦!”小雪疑惑不解地继续问道:“大华,你给我介绍了这么多放射性,可是我还是不明白这和确定化石的年代有多大关系呢?”

“放射性是确定化石年代的基础啊,如果到现在我们都不知道放射性是什么的话,怎么会有接下来要介绍的放射性碳元素年代测定法呢。”

小雪满怀期待地看了看化石,继续听大华讲解。“由于碳循环作用动植物体内含有的放射性碳-14与其所处环境保持一致,当动植物死亡后,碳循环停止,体内的碳-14含量会因发生衰变而减少,每经过5730年其含量就减少一半,这就是碳-14的半衰期。这样我们通过放射能计数装置测定化石标本的放射能,就可以推断出其所处年代啦(图 4)。发明这个方法的是美国的威拉德∙利比(Willard F. Libby),他获得了1960年的诺贝尔化学奖[4, 13]。这下明白了放射性和测定化石年代的关系了吧。当然由于碳-14法的测定范围大概也就五万年[15],对于年代更久远的化石还可以利用其他放射性元素进行测定,比如钾-氩法、铀系法等[16]。”

图4

图4   放射性碳元素年代测定法示意图[14]


小雪若有所思地点了点头。

2 丰衣足食篇

结束了博物馆参观之旅,已到午餐时间,兄妹俩来到一家餐厅,快速点餐后,饭菜已上桌。

“小雪,你知道我们吃的饭菜怎么来的吗?”

“地里庄稼长的呀?”

“那植物怎么就长大结果实了呢?”

“通过光合作用啊!记得老师说过,光合作用是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素在可见光的照射下,将二氧化碳和水转变为葡萄糖,并释放出氧气的生化过程。”

“是的,光合作用是地球上利用光能最重要的过程,也是规模最大的由二氧化碳和水等无机物质制造碳水化合物、蛋白质、脂肪等有机物的过程,大气中的氧也来源于光合作用,包括人类在内的大多数生物都直接或间接依靠光合作用所提供的有机物质和能量而生存呢。”

小雪夹住菜没来及放入碗中,惊奇地看着大华说道:“这么说来,我们这一桌饭菜都来自于植物,没有光合作用就没有我们的食物,光合作用是我们赖以生存的关键啊!”

“没错,所以研究光合作用对我们人类来说很重要,光合作用由光反应和暗反应组成(图 5),叶绿素参与光反应,吸收来自太阳的能量,叶绿素结构最早由威尔施泰特(Richard Willstätter)发现,他还发现存在两种类型的叶绿素,即叶绿素a和b,并以3 : 1的比例存在于绿叶细胞中,都是镁的络合物,其整体结构的确定是由费歇尔(Hans Fischer)完成的。光反应的产物NADPH和ATP直接参与暗反应,将二氧化碳转变成葡萄糖,这个暗反应是一系列酶催化的化学反应,是一位来自美国的科学家麦利芬∙卡尔文(Melvin Calvin)发现的,以他的名字命名,也称为‘卡尔文循环’(图 5)。他们为揭秘光合作用都做出了巨大贡献,分别获得了1915年、1930年和1961年诺贝尔化学奖[4, 1719]。”

图5

图5   光合作用示意图[20]


“有了这三位科学家的贡献才让我们吃饭无忧啊!”小雪一边感慨一边吃了一大口米饭。

“哈哈,对光合作用有贡献的科学家远不止这两位呢,诺贝尔化学奖就有8次颁发给了与光合作用相关的研究发现[21],在光合作用机理研究上我们取得了很大进步,但吃饭无忧没有那么简单,虽然搞清楚了光合作用的原理,但是如何让作物长得好、结出更多果实,也不是一件容易的事儿。俗话说‘庄稼一枝花,全靠肥当家’,粮食增产离不开肥料的贡献,据联合国粮农组织(FAO)调查统计,肥料的平均增产效果在40%–60%。氮、磷、钾是作物需要最多的营养元素,作物生长收获后就从土壤中带走了这三种元素,而通过作物本身归还给土壤的并不多,往往通过化肥来给土壤补充,磷和钾是矿物元素,存在于有机体和岩石中,大气中没有磷钾,而氮元素不同,自然界中很大一部分氮素存在于大气中,而且空气成分中接近80%都是氮气,我们要想办法把大气中的氮素转移到土壤中,就可以给土壤补充氮了。小雪,你知道如何把大气中的氮转移到土壤中吗?”

“把大气中氮转移到土壤中?”小雪认真地思考着,兴奋地回答道:“根瘤菌生物固氮可以做到啊,雷电也可以使氮转化为一氧化氮然后再进入土壤吧。”

“知道的还不少呀,这两种方式分别是生物固氮和自然固氮,还有一种方式是人工固氮,人工固氮极大程度地满足了我们人类生产生活的需求。”

“那人工固氮又是怎么实现的呢?第一次听说哎。”小雪迫不及待地追问着。

“人工固氮就是氮气和氢气的混合气在高温高压及催化剂作用下合成氨,提到人工固氮不得不提到一个人——弗里茨·哈伯(Fritz Haber),是他首先发明的合成氨,1909年,哈伯在600 ℃的高温、200个大气压下用锇作催化剂,实现氨的转化率约8%,虽然这远远不能满足工业生产需要,但这种方法预示着人工固氮的可行性,这种方法被称为‘哈伯法’(图 6),哈伯也因实现有价值的合成氨方法而获得1918年的诺贝尔化学奖[4, 22]。后来,哈伯与博斯(Carl Bosch)一同对‘哈伯法’进行改进,经过上万次的试验研制出铁基催化剂,同时开发出能耐受得住200个大气压的高压设备,使得合成氨的生产实现工业化,这种由哈伯首创,经博斯改进的氨合成法被称为‘哈伯-博斯法’。博斯由于在高压化学合成技术上的重大贡献,与他人共同获得1931年的诺贝尔化学奖[4, 23]。”

图6

图6   人工合成氨及其在农业上的应用


“大华,我明白了,哈伯发明了合成氨,然后氨再制成尿素、硝酸等其他含氮物质,诞生了化学肥料,然后使得粮食产量翻了好几倍,才能养活我们这么多人。哇哦,这意义真地无法用语言来形容啦!”

“是的,从这一点上看,哈伯就是‘用空气制造面包的天使’,但是他还有另一面就是‘用化学武器摧残人类的恶魔’,他把他的聪明才智用于战争,制造了氯气、光气(COCl2,碳酰氯)、芥子气(二氯二乙硫醚)并投入使用,成为纳粹的帮凶,受到社会的唾弃。所以,正确地使用自己的所学和聪明才智是很重要的,千万不能用我们所学的知识去做坏事哦。”大华严肃认真地提醒着小雪。

“这些化学武器我在电视里看到过,太恐怖啦,想想就害怕,不要说了,不要说了,我们赶紧把饭吃完吧。”

午餐过后,小雪有点困乏,伸了伸懒腰,打了个哈欠,隔壁餐桌的奶奶正在给自己注射胰岛素。

“大华,快看,隔壁老奶奶在给自己打针哎。”小雪惊奇地拉了拉大华的衣角指给他看。

“这有什么好奇怪的啊,这是在注射胰岛素,看来她是一位糖尿病患者。我们吃过饭后血糖会快速升高,胰岛素就是为了控制我们的血糖不那么高的,糖尿病患者不能正常的分泌胰岛素,所以需要体外注射胰岛素或通过药物来控制。”

“胰岛素是什么啊?”

“胰岛素是由胰脏分泌的一种蛋白质激素,能降低血糖,促进糖原、脂肪和蛋白质的合成。如果分泌不足或胰岛素不能正常发挥作用,血糖浓度升高,糖由尿排出就形成了糖尿病。”

“那这位老奶奶注射的胰岛素是怎么制得的呢?不会是用人的胰腺吧?”小雪既好奇又惊恐地问着。

“呃⋯⋯!这个问题我想想怎么来跟你解释,首先肯定不是用人的胰腺来获取胰岛素的,太残忍啦。最初是通过动物的胰腺提取出动物胰岛素来治疗人的糖尿病,人、牛、猪等动物的胰岛素分子的氨基酸序列和结构都不太一样但又很接近,其中猪的胰岛素只有一个氨基酸与人的不同,牛的有3个不同(图 7),所以早期一般用牛或猪的胰腺提取出胰岛素来治疗糖尿病。”

图7

图7   人、猪、牛胰岛素的结构示意图[24]


“那得多少动物的胰腺啊!难以想象,我们不是都知道人胰岛素的结构啦,不能人工合成吗?”

“可是那时人类还不知道胰岛素的结构,胰岛素的结构是由英国科学家桑格花了10年时间才确定的,知道胰岛素的结构后,人们才可以想办法合成,才有了我们中国在1965年首创的人工合成牛胰岛素的成果,这是世界上第一个蛋白质的全合成,开辟了人工合成蛋白质的时代。我们国家的人工合成牛胰岛素成果曾经也申请过诺贝尔奖,但最终未能获奖[25]。”

“那桑格有没有获诺贝尔奖呀?”

“桑格完成了胰岛素结构的确定,这不仅仅是一个蛋白质的结构,还为证实基因遗传密码、生物合成及整个分子生物学的研究提供了基础,意义深远,为此他获得了1958年的诺贝尔化学奖[4, 26],重点是,他后来还因发明碱基测序方法而再次获得诺贝尔化学奖,他是唯一一位两次获得诺贝尔化学奖的科学家[4, 27]。”

“又这么厉害!那知道了结构后可以合成了吗?”

“合成是没问题,但产率太低,从实用角度来看,靠人工合成来满足需求是行不通的。到了20世纪80年代,重组DNA技术诞生,利用桑格测定的胰岛素氨基酸序列,可以进一步确定人类胰岛素的DNA序列,再利用重组DNA技术就可以让细菌生产人胰岛素啦,产出的胰岛素和人体自身分泌的胰岛素一样。对比动物胰岛素,使用人胰岛素有效减少了过敏反应,但作用效果还是不能完全模拟人体自身分泌胰岛素模式,所以胰岛素药物的开发还有很长路要走[28, 29]。”

“已经很厉害啦,我感觉这就跟科幻大片似的,太神奇啦!这些糖尿病患者要感谢为发明胰岛素做出贡献的这些科学家啊。”

“糖友要感谢的还有一位科学家哦,就是加拿大的弗雷德里克·格兰特·班廷(Frederick Grant Banting),是他首先发现了胰岛素,他也因此与麦克劳德(John James Rickard Macleod)共享了1923年的诺贝尔生理学或医学奖[6, 30],发现胰岛素的过程也很曲折精彩,下次再讲给你听哦。”

3 能源材料篇

叮铃铃,叮铃铃⋯⋯,大华的手机响了,是他同学的电话,邀请他们兄妹俩傍晚一起去游乐园看灯光秀。可是路程有些远,大华和小雪决定骑电动单车前往。

“小雪,你知道吗,这个看上去很普通、很常见的电动车里也包含了很多科学知识呢!”

“大华,我知道,你要说的是电动车的电池吧。”

“没错。电池在我们的生活中很常见,人类第一款电池是伏特堆电池,后来又发明了丹尼尔电池,再到后来的铅酸电池、碱性电池、镍镉电池、镍氢电池,直到现在的锂离子电池,电池技术经历了200多年的发展才走到今天的锂电阶段,目的就是为了更轻便、小巧、能量更高[31],锂离子电池现在应用到我们生活中的各个方面,手机、电脑、平板、电动车、摄像机等用的电池都是锂离子电池。锂离子电池还有一个名字‘摇椅电池’。”

“摇椅电池,这个名字好奇怪啊,为什么叫摇椅电池呢?”

“因为锂离子电池是依靠锂离子在正负极之间来回地嵌入和脱嵌来实现的,这个移动是不是像摇椅在摇摆啊。这和其他电池不同,其他电池都是基于物质在两极发生化学反应,而且电极会缓慢的发生变化,而锂离子电池只是锂离子在两个电极间流动,不会和周围物质发生反应,这也意味着锂离子电池寿命很长[32]。”

“大华,那锂离子电池和锂电池有什么区别吗?”

“锂电池是锂离子电池的前身,锂电池中用金属锂作负极,但是金属锂很活泼,充电过程中产生的锂枝晶会刺穿隔膜(图 8),使电池内部短路,容易燃烧或爆炸,不安全。所以锂电池刚出实验室就夭折啦,但是锂这么适合作电池的材料让科学家们爱不释手啊,继续进行研究,既然不能让锂作负极,那就换碳材料作负极,正极材料也进行了改进,换成了钴酸锂,这样的锂电池已经不是化学反应产生的电能了,而是阴阳极间电子流动产生的,这种能量仅来自外界充入过量的电子,储存在两极间用来做功,这就是我们现在用的锂离子电池(图 9) [32]。”

图8

图8   锂枝晶示意图[32]


图9

图9   锂离子电池示意图[32]


“小小的锂电池包含着巨大的能量,它的成长也是一路坎坷啊。感谢发明锂离子电池的科学家们,不然我们就不能像现在这样随时随地上网了。”小雪不由自主地感慨着。

“科学发展的道路都是荆棘丛生的,没有那么顺利,锂离子电池的发明要感谢三位老爷爷,分别是约翰∙B∙古迪纳夫(John B. Goodenough)、M∙斯坦利∙威廷汉(M. Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino),他们分别是锂电池的改造者、奠基者和优化者。他们也共同获得了2019年的诺贝尔化学奖[4, 33]。”

“咦,大华,你刚刚提到锂离子电池正极用的钴酸锂,负极用的是碳材料,那到底用的是什么碳材料呢?”

“古迪纳夫老爷爷改进了锂离子电池的正极,吉野彰老爷爷在此基础上尝试用碳材料作负极,他借鉴前人的研究结果,没有选择石墨,因为石墨容易被电池的电解液分解,而是选择了低温石墨——石油焦[32]。”

“石油焦是什么东西啊?和石墨又有什么关系呢?没听说过。”

“石油焦是石油工业的副产物,是石油的减压渣油经焦化装置在500–550 ℃下裂解焦化而生成的黑色固体焦炭,属于软碳材料,是一种乱层石墨结构堆积型材料。石油焦和石墨都是由碳元素组成的,都属于碳的同素异形体(图 10)。那小雪,我要考考你啦,你知道常见的碳的同素异形体还有哪些吗?”

图10

图10   碳的同素异形体


“石墨,金刚石,嗯⋯⋯,不知道了。”

“除了你刚刚提到的石墨和金刚石外,还有无定形碳,石油焦就属于无定形碳,还有富勒烯,富勒烯是近些年才发现的一种新型碳单质,它形状像足球,又叫足球烯,富勒烯的发现获得了1996年的诺贝尔化学奖[4, 34]。此外,还有石墨烯、碳纳米管,石墨烯也就是单层石墨的发现获得了2010年的诺贝尔物理学奖[5, 35]。”

“哇,碳材料家族获得了两个诺贝尔奖呢!可是,大华,我知道金刚石硬度很大,可以做切割刀,还可以加工成炫丽的钻石,石墨可以做电极,可以做铅笔芯,那其他的碳材料有什么用呢?”

“这些现在都还是科学家们的新宠儿呢,许多的功能应用还在开发中,在我们的日常生活中还没那么常见,但是相信在不久的将来,它们在不同的领域都会发挥着举足轻重的作用的。”

随着一路的讨论,大华和小雪来到了游乐园,和约好的同学碰了面,落日余晖渐渐消失在天边,夜幕悄悄来临,园内灯光绚丽多彩,美食香气扑鼻。

“小雪,今天给你讲了这么多我们生活中和诺贝尔奖有关的科技发现,给你一个任务,留意身边的事物,再找找看我们生活中还有哪些事物和诺贝尔化学奖密切相关吧,有奖励哦!”

“大华,这好难啊,我怕我一个都找不到。”

“给你提示哦,我们经常用的饭盒,还有日化用品的塑料包装桶,空气中稀有气体的发现,臭氧层的破坏等,这些会不会也都和诺贝尔奖有关呢,我们一起去寻找吧,就先从我们眼前的所‘见’所‘闻’开始⋯⋯。”

4 结语

科技发展把我们从原来的农耕社会带到现在的科技生活,诺贝尔奖作为科学最高奖,见证了科学的发展历程,同时也激励着无数的科技工作者坚持不懈,数十年如一日地在探索中前进。我们在了解这些获奖成果给我们生活带来的影响及价值的同时,也应注意到,科学研究是一个漫长、艰巨而且荆棘丛生的道路。希望广大青少年在了解科学知识,领悟科学内涵的同时,铸造科学精神,保持一颗好奇心,勇于踏上科学探索之路。

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