1 引言
中国结是中国传统文化的象征。一根绳线一缠一绕，编出众多形制精巧的绳结艺术品，其中凝结着古人的智慧和对未来美好的愿景。在世界文化交流日益频繁的今天，中国绳结艺术突破传统，不断创新，积极在国际舞台上弘扬中国文化[1, 2]。在微观世界中，有限的化学元素通过化学键合组成超乎大众想象的众多奇妙分子结构。化学结构决定分子性质，分子性质则主导自然界中各种物质的复杂功能。我们将绳结艺术与化学结构融合(图 1)，创作出形制独特的“分子结构中国结”，并从2021年初开始在大、中、小学和社区开展系列“结绳探构”科普活动[3–7]，以特色中国结为载体科普化学结构之美、化学结构之妙，让大众在亲手编结的过程中体验化学键合丰富的创造性。
图1
本文主要围绕“分子结构中国结”的设计、制作和化学科普展开，重点以“甲烷分子中国结”和“互锁结构中国结——三叶结”为例，总结5次科普活动的实践经验及反馈，力图为读者完整展现“结绳探构”——一个全新的化学科普形式。
2 分子结构中国结
2.1 中国绳结艺术
近现代以来，中国结作为传统文化的象征，不仅在中国寻常百姓的生活中随处可见(图 2)，而且开始进入国际视野。中国联通是中国最大的通讯企业之一，其标志就是以盘长结为基础创意演变而来的。体现造型和色彩之美的吉祥中国结也是国际时尚界的宠儿，在各类国际品牌新品发布会上开始频繁出现中国结设计元素[11]。中国结掀起的“中国风”甚至被带到太空。2012年6月16日，“神州九号”搭载一枚红色中国结飞天，让全世界共同见证浩渺太空中这一抹浓浓中国红[12]。在2022年北京冬奥会，中国结元素更是贯穿始终。无论是开幕式中的雪花中国结，还是闭幕式上的巨型数字AR (增强现实)技术“中国结”，都寄托着“世界大家庭一起向未来”的美好祝愿，也体现了“人类命运共同体”的理念[2]。
图2
2.2 分子的化学结构
化学周期表中的元素仅有100多种，它们通过不同键合方式组成了我们生活中各类结构多样、功能丰富的奇妙分子。以碳元素为例，原子之间有单、双、三键三种连接方式，却能构成金刚石、石墨、石墨烯、富勒烯(如C60、C70)、碳纳米管、石墨炔[13]、环[18]碳[14, 15]等多种同素异形体。不同的化学结构决定了不同的分子性质和功能，如金刚石非常坚硬，既可以加工成珠宝，也常被用于制造切割或钻探工具；石墨却质软，可用于制备耐火、导电材料，在机械工业中还常用作润滑剂。石墨烯、富勒烯和碳纳米管等都是π-共轭体系，但分别为平面、球形和柱状拓扑结构，因此各自表现出非常独特的物理、化学性质。2004年，英国曼彻斯特大学的Geim教授和Novoselov教授成功从层状石墨结构中剥离出仅有一个碳原子厚度的单层石墨烯，并发现其特殊的量子性质。他们因此获得2010年的诺贝尔物理学奖。富勒烯和碳纳米管自20世纪被发现以来就是纳米材料中的明星分子，关于它们性质和应用的研究直到现在依然备受关注。最近，厦门大学的谢素原院士和袁友珠教授团队还发现C60可作为电子缓冲剂改性铜基催化剂，从而成功攻破由合成气制备乙二醇的常压加氢催化技术难关[16]。
有机化合物是构成自然界中各类复杂生命体的最重要化合物，包括蛋白质、氨基酸、核酸、碳水化合物、血红素、叶绿素、脂肪、酶、激素等。它们主要仅由碳、氢、氧、氮、硫、磷这几种元素组成，但化学结构千变万化、功能各异。重要遗传物质脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构就是其中最著名的例子，它是传承生命的关键模板。分子结构是理解物质物理、化学性质及变化规律的重要基础。近年来，随着分子纳米技术的兴起，具有独特立体结构和功能的机械互锁分子不断涌现，极大地推动了化学拓扑学和机械立体化学的发展。尤其是，2016年诺贝尔化学奖就颁发给了Sauvage教授、Stoddart教授和Feringa教授，以表彰他们在设计与合成分子机器上的卓越贡献[17–19]。
2.3 分子结构中国结
图3
2.4 两种简单分子结构中国结的制作
2.4.1 甲烷分子中国结
甲烷(CH4)是最简单的有机化合物，其立体结构是正四面体构型。一般的结构式仅能表示分子中各原子的连接情况，无法反映其真实的空间构型。因此，我们最先选取了甲烷分子作为设计对象。在中国结的基本结式中，纽扣结和十字结的形状接近球形，用不同颜色的丝线编结，可用来代表各种原子；金刚结、平结、绕线等基本结都比较结实、立体，可用来代表价键。如图 4所示，为了模拟甲烷分子的四面体结构，我们用可以扭曲出接近109°夹角的十字结代替碳原子中心，用固定长度的绕线或平结代替碳-氢键，最后用简单的半结或双联结代替氢原子。参与者可以自由选择不同颜色的绳线来制作原子，比如以黄色十字结为碳原子，灰色双钱结为氢原子，绿色双钱结为氯原子，可以制作出相应的氯仿、二氯甲烷等甲烷分子衍生物中国结。另外，如果用4种不同颜色的丝线打结，分别代表碳原子上连接的四种不同基团，还可以科普分子手性的概念。利用类似的思路，还可以继续设计和制作乙烷、丙烷、环己烷、乙烯、乙炔等分子结构，其中环己烷中国结还可以用来展示椅式构象与船式构象之间的翻转过程(图 5)。
图4
图5
2.4.2 互锁结构中国结——三叶结
机械互锁分子结构中至少有两部分是无共价键相连的，但却无法在不切断共价键的情况下将其分开。这种不破坏原有化学键的两个或多个“组件”间的空间缠绕被称为机械键。索烃和轮烷是最具有代表性的两类机械互锁分子。近年来，在纳米尺度上将分子缠绕、打结，并研究其特定拓扑结构对分子物理、化学性质的影响越来越受到科学家的关注，并成为一门新兴学科——“分子纳米拓扑学”[23]。
图6
3 结绳探构科普活动
表1 5次“结绳探构”科普活动概况
| 序号 | 时间 | 地点 | 对象 |
| 1 | 2021/12/09 | 滨海睦邻社区 | 中小学生 |
| 2 | 2022/01/15 | 厦门金茂社区 | 小学生及家长 |
| 3 | 2022/01/18 | 厦门小嶝小学 | 小学生 |
| 4 | 2021/12/24 | 南安一中 | 高中生 |
| 5 | 2022/03/13 | 厦门大学 | 大学生 |
我们的科普方案大致如下：
1) 在小学和初中，从与工业生产、日常生活密切相关的沼气和可燃冰入手，介绍最简单的有机分子——甲烷；通过甲烷分子中国结的制作，使参与者初步了解有机分子的立体构型差异及性质；通过展示系列分子结构中国结为学生打开探索分子世界的大门。
2) 在高中，通过展示3个系列的分子结构中国结，使学生了解化学结构的多样性；以碳的同素异形体为例，讲解分子结构与性质、功能之间的紧密联系；通过制作甲烷分子(衍生物)中国结，讨论和理解烷烃分子的构型与构象。
3) 在大学，引入新兴前沿研究领域——分子纳米拓扑学的动态，介绍分子机器、分子结、机械键、机械互锁等新概念；通过三叶结的制作，使学生体验突破传统化学分子几何结构限制的化学拓扑学的魅力；展示更多系列分子结构中国结，使学生了解化学结构的多样性。
“打结”是“结绳探构”科普活动中关键的一环。“打结”看似简单，实则需要极大的专注和耐心，“打结”的过程也是对参与者想象力、观察力、动手能力的培养过程。图 7中展示了科普活动的具体场景以及活动中部分学生的分子中国结作品。
图7
在开展科普活动的同时，我们及时通过问卷调查及现场交流等方式收集反馈意见。在小学生和初中生中，所有学生都能在教师指导下顺利用十字结、绕线和半结等完成甲烷分子中国结的制作，90%以上学生表示这种科普方式能够帮助他们理解甲烷分子的四面体构型，并且强烈感受到分子结构之美。在分子结构中国结的展示环节，学生们手捧中国结分子模型展开想象，将冠醚分子比作王冠，将环己烷分子比作椅子，将富勒烯比作足球。
在高中生中，所有学生都能顺利用十字结和稍复杂的平结、双联结等完成甲烷分子中国结的制作，部分学生还主动加入自己的创意，比如制作各种甲烷衍生物模型和模拟圣诞树制作圣诞专属甲烷中国结挂件等。其中，90%以上的学生表示“结绳探构”活动形式新颖，能激发他们学习化学的兴趣，希望以后多开展这种活动，并且建议将“分子结构中国结”作为教具应用于化学教学中。
在大学生中，大部分学生都表示绳结艺术让他们感受到传统文化魅力的同时，能帮助他们充分理解化学键合强大的创造力。分子结的制作使他们能更加形象地理解机械键、机械互锁、分子机器、化学拓扑学等前沿概念，激发他们深入学习的兴趣。不少学生还将自己制作的三叶结作为挂件或摆件，挂在书包、钥匙上。
4 结语
绳结艺术来源于生活，传承着中华民族千年的文化。以绳结艺术为基础，我们创造出系列形制独特的“分子结构中国结”。“结绳探构”以中国结为艺术和美的载体，自然而然地拉近了大众与化学结构科普之间的距离，激发大众了解和学习化学知识的欲望。“结绳探构”科普活动是一场面向普罗大众的文化、艺术和科学融合的盛宴。已经开展的5次科普活动获得了大量正面、积极的反馈意见，激励我们未来设计、创造出更多系列的“分子结构中国结”，并且在全国推广“结绳探构”科普活动。
参考文献
