李紅春，吳紅，王鈺熙，馮紅艷，鄭媛，蘭泉，江國(guó)順，吳強(qiáng)華，朱平平

化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué))，合肥230026

諾貝爾獎(jiǎng)自1901年首次頒獎(jiǎng)至2020年，已有962人次及組織機(jī)構(gòu)獲獎(jiǎng)，其中，624人次獲得諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)(物理、化學(xué)、生理學(xué)或醫(yī)學(xué))，占獲獎(jiǎng)總數(shù)的64.86%[1,2]，其中很多獎(jiǎng)項(xiàng)，比如核能的發(fā)現(xiàn)、光纖通訊、合成氨的發(fā)明、光合作用的“開(kāi)爾文循環(huán)”、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等，都標(biāo)志著人類(lèi)科技的重大進(jìn)展。諾貝爾獎(jiǎng)成果正越來(lái)越多地應(yīng)用到我們生活中，我們看病時(shí)拍的X光片，治療腫瘤的放射性療法，現(xiàn)在的豐衣足食，治療疾病的藥物，用到的各種電子產(chǎn)品……它們要么是諾貝爾獎(jiǎng)的直接成果，要么是在獲獎(jiǎng)成果基礎(chǔ)上進(jìn)一步衍生出來(lái)的[3-7]，這樣看來(lái)諾貝爾獎(jiǎng)其實(shí)離我們生活很近，讓我們跟隨大華、小雪的腳步一同來(lái)感受下身邊主要與化學(xué)相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)成果吧。

1 放射篇

今天是六一兒童節(jié)，大華和小雪(圖1)相約去參觀地質(zhì)博物館，這里陳列著各種各樣的化石標(biāo)本，有生活在侏羅紀(jì)晚期的劍龍，距今有1億5600萬(wàn)年，還有生活在白堊紀(jì)晚期的霸王龍，距今有6500萬(wàn)年。

圖1 大華(左)、小雪(右)——中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科普教育活動(dòng)吉祥物

小雪一臉迷惑地問(wèn)大華，“人類(lèi)最多能活到100多歲，我們是怎么知道這些恐龍化石的年代的呢？它們可都是生活在成千上萬(wàn)年前啊！”

大華偷偷一笑，摸了摸小雪的頭，“這就是科技的力量，讓我們?nèi)祟?lèi)可以通過(guò)檢測(cè)這些標(biāo)本的放射性來(lái)判斷它的年代？”

小雪一臉霧水，大華繼續(xù)解釋道：“我先來(lái)給你解釋下什么是放射性。這是一種自然現(xiàn)象，物質(zhì)是由原子組成的，每個(gè)原子中心都有一個(gè)原子核，大多數(shù)原子的原子核是穩(wěn)定的，但有些是不穩(wěn)定的，這些不穩(wěn)定的原子通過(guò)核衰變會(huì)自發(fā)地放出射線(xiàn)，這就是‘放射性’。放出的這些射線(xiàn)包括α射線(xiàn)、β射線(xiàn)、γ射線(xiàn)等(圖2)。最早發(fā)現(xiàn)放射性的是貝克勒爾，但‘放射性’這個(gè)名稱(chēng)是由居里夫婦命名的，之后，居里夫婦對(duì)放射性元素進(jìn)行了深入研究，在鈾礦中發(fā)現(xiàn)了放射性元素‘釙’和‘鐳’(圖3)。貝克勒爾(Henri Becquerel)、皮埃爾·居里(Pierre Curie)、瑪麗·居里(Marie Curie)三位科學(xué)家因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)放射性并對(duì)其進(jìn)行深入研究而獲得1903年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[5,8]。不幸的是1906年，皮埃爾·居里車(chē)禍去世了，但居里夫人并沒(méi)有因此停止放射性的研究，1910年，她最終完成了鐳的分離并測(cè)定了其多種特性，也因此獲得了1911年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[4,9]。”

圖2 不同射線(xiàn)的穿透力示意圖[4]

圖3 瀝青鈾礦和放射性元素釙、鐳[4]

“哇哦，好厲害啊，諾貝爾獎(jiǎng)于1901年首次頒發(fā)，那她豈不是第一位獲諾貝爾獎(jiǎng)的女性啦，而且還是第一位兩次獲得兩個(gè)不同學(xué)科諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家呢！”

“你說(shuō)的沒(méi)錯(cuò)，就是這么厲害。要注意的是，大劑量放射性照射對(duì)人體和動(dòng)物存在損害作用，去年諾貝爾獎(jiǎng)官方公布，居里夫人1899年到1902年在實(shí)驗(yàn)室中所使用的筆記本仍具有放射性，并將持續(xù)1500年?？上攵?dāng)年的居里夫人是冒著多大的風(fēng)險(xiǎn)在探索未知科學(xué)啊。不僅如此，她還發(fā)現(xiàn)了鐳元素對(duì)抗擊癌細(xì)胞的巨大作用，我們今天所利用的放射性治療和X光都得益于居里夫人的研究?！贝笕A一臉佩服地豎起大拇指。

“這樣說(shuō)來(lái)，放射性雖有一定危險(xiǎn)性但確實(shí)也很重要，居里夫人的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度值得我們好好學(xué)習(xí)呢。咦，大華，你提到的這個(gè)放射性和2011年福島核泄漏事故中的放射性是一回事嗎？”

“是一樣的，福島核事故泄漏了很多裂變物質(zhì)，其中銫-137、銫-134和碘-131三種人工放射性元素在北半球多個(gè)檢測(cè)站被檢測(cè)到[10,11]，引起了民眾的恐慌，這次核泄漏事件對(duì)環(huán)境造成的損害很慘重，而且會(huì)影響很長(zhǎng)時(shí)間。放射性物質(zhì)是一把雙刃劍，在醫(yī)學(xué)、核能利用等方面對(duì)人類(lèi)有積極作用，利用不當(dāng)會(huì)造成致命影響，所以在使用放射性物質(zhì)時(shí)一定要謹(jǐn)慎?！?/p>

小雪認(rèn)真地點(diǎn)了點(diǎn)頭，繼續(xù)追問(wèn)道：“那大華你說(shuō)的人工放射性和天然放射性有什么區(qū)別啊？是不是一個(gè)是自然存在的放射性，一個(gè)是人工實(shí)現(xiàn)的放射性呢？”

“小雪真聰明，居里夫人他們發(fā)現(xiàn)和研究的是物質(zhì)的天然放射性，而人工放射性是指人工實(shí)現(xiàn)的放射性元素具有的放射性，這一現(xiàn)象是由約里奧-居里夫婦(Frédéric Joliot, Irène Joliot-Curie)于1934年發(fā)現(xiàn)的，約里奧-居里夫婦也因此獲得了1935年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[4,12]?！?/p>

“大華，前面你提到了這么多科學(xué)家，怎么名字里好像都有居里呢？難道他們是一家人嗎？”

“你聽(tīng)得還挺仔細(xì)的嘛，他們確實(shí)是一家人，約里奧-居里夫婦是老居里夫婦的女兒和女婿，在一個(gè)家族中產(chǎn)生四位諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)哌€是極其少見(jiàn)的呢?！?/p>

“確實(shí)很少見(jiàn)，太厲害啦！”小雪疑惑不解地繼續(xù)問(wèn)道：“大華，你給我介紹了這么多放射性，可是我還是不明白這和確定化石的年代有多大關(guān)系呢？”

“放射性是確定化石年代的基礎(chǔ)啊，如果到現(xiàn)在我們都不知道放射性是什么的話(huà)，怎么會(huì)有接下來(lái)要介紹的放射性碳元素年代測(cè)定法呢?！?/p>

小雪滿(mǎn)懷期待地看了看化石，繼續(xù)聽(tīng)大華講解?！坝捎谔佳h(huán)作用動(dòng)植物體內(nèi)含有的放射性碳-14與其所處環(huán)境保持一致，當(dāng)動(dòng)植物死亡后，碳循環(huán)停止，體內(nèi)的碳-14含量會(huì)因發(fā)生衰變而減少，每經(jīng)過(guò)5730年其含量就減少一半，這就是碳-14的半衰期。這樣我們通過(guò)放射能計(jì)數(shù)裝置測(cè)定化石標(biāo)本的放射能，就可以推斷出其所處年代啦(圖4)。發(fā)明這個(gè)方法的是美國(guó)的威拉德·利比(Willard F. Libby)，他獲得了1960年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[4,13]。這下明白了放射性和測(cè)定化石年代的關(guān)系了吧。當(dāng)然由于碳-14法的測(cè)定范圍大概也就五萬(wàn)年[15]，對(duì)于年代更久遠(yuǎn)的化石還可以利用其他放射性元素進(jìn)行測(cè)定，比如鉀-氬法、鈾系法等[16]。”

圖4 放射性碳元素年代測(cè)定法示意圖[14]

小雪若有所思地點(diǎn)了點(diǎn)頭。

2 豐衣足食篇

結(jié)束了博物館參觀之旅，已到午餐時(shí)間，兄妹倆來(lái)到一家餐廳，快速點(diǎn)餐后，飯菜已上桌。

“小雪，你知道我們吃的飯菜怎么來(lái)的嗎？”

“地里莊稼長(zhǎng)的呀？”

“那植物怎么就長(zhǎng)大結(jié)果實(shí)了呢？”

“通過(guò)光合作用??！記得老師說(shuō)過(guò)，光合作用是植物、藻類(lèi)和某些細(xì)菌利用葉綠素在可見(jiàn)光的照射下，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟?，并釋放出氧氣的生化過(guò)程?！?/p>

“是的，光合作用是地球上利用光能最重要的過(guò)程，也是規(guī)模最大的由二氧化碳和水等無(wú)機(jī)物質(zhì)制造碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等有機(jī)物的過(guò)程，大氣中的氧也來(lái)源于光合作用，包括人類(lèi)在內(nèi)的大多數(shù)生物都直接或間接依靠光合作用所提供的有機(jī)物質(zhì)和能量而生存呢?！?/p>

小雪夾住菜沒(méi)來(lái)及放入碗中，驚奇地看著大華說(shuō)道：“這么說(shuō)來(lái)，我們這一桌飯菜都來(lái)自于植物，沒(méi)有光合作用就沒(méi)有我們的食物，光合作用是我們賴(lài)以生存的關(guān)鍵啊！”

“沒(méi)錯(cuò)，所以研究光合作用對(duì)我們?nèi)祟?lèi)來(lái)說(shuō)很重要，光合作用由光反應(yīng)和暗反應(yīng)組成(圖5)，葉綠素參與光反應(yīng)，吸收來(lái)自太陽(yáng)的能量，葉綠素結(jié)構(gòu)最早由威爾施泰特(Richard Willst?tter)發(fā)現(xiàn)，他還發(fā)現(xiàn)存在兩種類(lèi)型的葉綠素，即葉綠素a和b，并以3 :1的比例存在于綠葉細(xì)胞中，都是鎂的絡(luò)合物，其整體結(jié)構(gòu)的確定是由費(fèi)歇爾(Hans Fischer)完成的。光反應(yīng)的產(chǎn)物NADPH和ATP直接參與暗反應(yīng)，將二氧化碳轉(zhuǎn)變成葡萄糖，這個(gè)暗反應(yīng)是一系列酶催化的化學(xué)反應(yīng)，是一位來(lái)自美國(guó)的科學(xué)家麥利芬·卡爾文(Melvin Calvin)發(fā)現(xiàn)的，以他的名字命名，也稱(chēng)為‘卡爾文循環(huán)’(圖5)。他們?yōu)榻颐毓夂献饔枚甲龀隽司薮筘暙I(xiàn)，分別獲得了1915年、1930年和1961年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[4,17-19]?！?/p>

圖5 光合作用示意圖[20]

“有了這三位科學(xué)家的貢獻(xiàn)才讓我們吃飯無(wú)憂(yōu)??！”小雪一邊感慨一邊吃了一大口米飯。

“哈哈，對(duì)光合作用有貢獻(xiàn)的科學(xué)家遠(yuǎn)不止這兩位呢，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)就有8次頒發(fā)給了與光合作用相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)[21]，在光合作用機(jī)理研究上我們?nèi)〉昧撕艽筮M(jìn)步，但吃飯無(wú)憂(yōu)沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，雖然搞清楚了光合作用的原理，但是如何讓作物長(zhǎng)得好、結(jié)出更多果實(shí)，也不是一件容易的事兒。俗話(huà)說(shuō)‘莊稼一枝花，全靠肥當(dāng)家’，糧食增產(chǎn)離不開(kāi)肥料的貢獻(xiàn)，據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，肥料的平均增產(chǎn)效果在40%-60%。氮、磷、鉀是作物需要最多的營(yíng)養(yǎng)元素，作物生長(zhǎng)收獲后就從土壤中帶走了這三種元素，而通過(guò)作物本身歸還給土壤的并不多，往往通過(guò)化肥來(lái)給土壤補(bǔ)充，磷和鉀是礦物元素，存在于有機(jī)體和巖石中，大氣中沒(méi)有磷鉀，而氮元素不同，自然界中很大一部分氮素存在于大氣中，而且空氣成分中接近80%都是氮?dú)?，我們要想辦法把大氣中的氮素轉(zhuǎn)移到土壤中，就可以給土壤補(bǔ)充氮了。小雪，你知道如何把大氣中的氮轉(zhuǎn)移到土壤中嗎？”

“把大氣中氮轉(zhuǎn)移到土壤中？”小雪認(rèn)真地思考著，興奮地回答道：“根瘤菌生物固氮可以做到啊，雷電也可以使氮轉(zhuǎn)化為一氧化氮然后再進(jìn)入土壤吧?！?/p>

“知道的還不少呀，這兩種方式分別是生物固氮和自然固氮，還有一種方式是人工固氮，人工固氮極大程度地滿(mǎn)足了我們?nèi)祟?lèi)生產(chǎn)生活的需求。”

“那人工固氮又是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？第一次聽(tīng)說(shuō)哎?！毙⊙┢炔患按刈穯?wèn)著。

“人工固氮就是氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚庠诟邷馗邏杭按呋瘎┳饔孟潞铣砂保岬饺斯す痰坏貌惶岬揭粋€(gè)人——弗里茨·哈伯(Fritz Haber)，是他首先發(fā)明的合成氨，1909年，哈伯在600 °C的高溫、200個(gè)大氣壓下用鋨作催化劑，實(shí)現(xiàn)氨的轉(zhuǎn)化率約8%，雖然這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)需要，但這種方法預(yù)示著人工固氮的可行性，這種方法被稱(chēng)為‘哈伯法’(圖6)，哈伯也因?qū)崿F(xiàn)有價(jià)值的合成氨方法而獲得1918年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[4,22]。后來(lái)，哈伯與博斯(Carl Bosch)一同對(duì)‘哈伯法’進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)過(guò)上萬(wàn)次的試驗(yàn)研制出鐵基催化劑，同時(shí)開(kāi)發(fā)出能耐受得住200個(gè)大氣壓的高壓設(shè)備，使得合成氨的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，這種由哈伯首創(chuàng)，經(jīng)博斯改進(jìn)的氨合成法被稱(chēng)為‘哈伯-博斯法’。博斯由于在高壓化學(xué)合成技術(shù)上的重大貢獻(xiàn)，與他人共同獲得1931年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[4,23]?！?/p>

圖6 人工合成氨及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

“大華，我明白了，哈伯發(fā)明了合成氨，然后氨再制成尿素、硝酸等其他含氮物質(zhì)，誕生了化學(xué)肥料，然后使得糧食產(chǎn)量翻了好幾倍，才能養(yǎng)活我們這么多人。哇哦，這意義真地?zé)o法用語(yǔ)言來(lái)形容啦！”

“是的，從這一點(diǎn)上看，哈伯就是‘用空氣制造面包的天使’，但是他還有另一面就是‘用化學(xué)武器摧殘人類(lèi)的惡魔’，他把他的聰明才智用于戰(zhàn)爭(zhēng)，制造了氯氣、光氣(COCl2，碳酰氯)、芥子氣(二氯二乙硫醚)并投入使用，成為納粹的幫兇，受到社會(huì)的唾棄。所以，正確地使用自己的所學(xué)和聰明才智是很重要的，千萬(wàn)不能用我們所學(xué)的知識(shí)去做壞事哦?！贝笕A嚴(yán)肅認(rèn)真地提醒著小雪。

“這些化學(xué)武器我在電視里看到過(guò)，太恐怖啦，想想就害怕，不要說(shuō)了，不要說(shuō)了，我們趕緊把飯吃完吧。”

午餐過(guò)后，小雪有點(diǎn)困乏，伸了伸懶腰，打了個(gè)哈欠，隔壁餐桌的奶奶正在給自己注射胰島素。

“大華，快看，隔壁老奶奶在給自己打針哎?！毙⊙@奇地拉了拉大華的衣角指給他看。

“這有什么好奇怪的啊，這是在注射胰島素，看來(lái)她是一位糖尿病患者。我們吃過(guò)飯后血糖會(huì)快速升高，胰島素就是為了控制我們的血糖不那么高的，糖尿病患者不能正常的分泌胰島素，所以需要體外注射胰島素或通過(guò)藥物來(lái)控制?！?/p>

“胰島素是什么啊？”

“胰島素是由胰臟分泌的一種蛋白質(zhì)激素，能降低血糖，促進(jìn)糖原、脂肪和蛋白質(zhì)的合成。如果分泌不足或胰島素不能正常發(fā)揮作用，血糖濃度升高，糖由尿排出就形成了糖尿病?！?/p>

“那這位老奶奶注射的胰島素是怎么制得的呢？不會(huì)是用人的胰腺吧？”小雪既好奇又驚恐地問(wèn)著。

“呃……！這個(gè)問(wèn)題我想想怎么來(lái)跟你解釋?zhuān)紫瓤隙ú皇怯萌说囊认賮?lái)獲取胰島素的，太殘忍啦。最初是通過(guò)動(dòng)物的胰腺提取出動(dòng)物胰島素來(lái)治療人的糖尿病，人、牛、豬等動(dòng)物的胰島素分子的氨基酸序列和結(jié)構(gòu)都不太一樣但又很接近，其中豬的胰島素只有一個(gè)氨基酸與人的不同，牛的有3個(gè)不同(圖7)，所以早期一般用?；蜇i的胰腺提取出胰島素來(lái)治療糖尿病?！?/p>

圖7 人、豬、牛胰島素的結(jié)構(gòu)示意圖[24]

“那得多少動(dòng)物的胰腺??！難以想象，我們不是都知道人胰島素的結(jié)構(gòu)啦，不能人工合成嗎？”

“可是那時(shí)人類(lèi)還不知道胰島素的結(jié)構(gòu)，胰島素的結(jié)構(gòu)是由英國(guó)科學(xué)家桑格花了10年時(shí)間才確定的，知道胰島素的結(jié)構(gòu)后，人們才可以想辦法合成，才有了我們中國(guó)在1965年首創(chuàng)的人工合成牛胰島素的成果，這是世界上第一個(gè)蛋白質(zhì)的全合成，開(kāi)辟了人工合成蛋白質(zhì)的時(shí)代。我們國(guó)家的人工合成牛胰島素成果曾經(jīng)也申請(qǐng)過(guò)諾貝爾獎(jiǎng)，但最終未能獲獎(jiǎng)[25]?！?/p>

“那桑格有沒(méi)有獲諾貝爾獎(jiǎng)呀？”

“桑格完成了胰島素結(jié)構(gòu)的確定，這不僅僅是一個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，還為證實(shí)基因遺傳密碼、生物合成及整個(gè)分子生物學(xué)的研究提供了基礎(chǔ)，意義深遠(yuǎn)，為此他獲得了1958年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[4,26]，重點(diǎn)是，他后來(lái)還因發(fā)明堿基測(cè)序方法而再次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他是唯一一位兩次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家[4,27]?！?/p>

“又這么厲害！那知道了結(jié)構(gòu)后可以合成了嗎？”

“合成是沒(méi)問(wèn)題，但產(chǎn)率太低，從實(shí)用角度來(lái)看，靠人工合成來(lái)滿(mǎn)足需求是行不通的。到了20世紀(jì)80年代，重組DNA技術(shù)誕生，利用桑格測(cè)定的胰島素氨基酸序列，可以進(jìn)一步確定人類(lèi)胰島素的DNA序列，再利用重組DNA技術(shù)就可以讓細(xì)菌生產(chǎn)人胰島素啦，產(chǎn)出的胰島素和人體自身分泌的胰島素一樣。對(duì)比動(dòng)物胰島素，使用人胰島素有效減少了過(guò)敏反應(yīng)，但作用效果還是不能完全模擬人體自身分泌胰島素模式，所以胰島素藥物的開(kāi)發(fā)還有很長(zhǎng)路要走[28,29]?！?/p>

“已經(jīng)很厲害啦，我感覺(jué)這就跟科幻大片似的，太神奇啦！這些糖尿病患者要感謝為發(fā)明胰島素做出貢獻(xiàn)的這些科學(xué)家啊?！?/p>

“糖友要感謝的還有一位科學(xué)家哦，就是加拿大的弗雷德里克·格蘭特·班廷(Frederick Grant Banting)，是他首先發(fā)現(xiàn)了胰島素，他也因此與麥克勞德(John James Rickard Macleod)共享了1923年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)[6,30]，發(fā)現(xiàn)胰島素的過(guò)程也很曲折精彩，下次再講給你聽(tīng)哦。”

3 能源材料篇

叮鈴鈴，叮鈴鈴……，大華的手機(jī)響了，是他同學(xué)的電話(huà)，邀請(qǐng)他們兄妹倆傍晚一起去游樂(lè)園看燈光秀?？墒锹烦逃行┻h(yuǎn)，大華和小雪決定騎電動(dòng)單車(chē)前往。

“小雪，你知道嗎，這個(gè)看上去很普通、很常見(jiàn)的電動(dòng)車(chē)?yán)镆舶撕芏嗫茖W(xué)知識(shí)呢！”

“大華，我知道，你要說(shuō)的是電動(dòng)車(chē)的電池吧?！?/p>

“沒(méi)錯(cuò)。電池在我們的生活中很常見(jiàn)，人類(lèi)第一款電池是伏特堆電池，后來(lái)又發(fā)明了丹尼爾電池，再到后來(lái)的鉛酸電池、堿性電池、鎳鎘電池、鎳氫電池，直到現(xiàn)在的鋰離子電池，電池技術(shù)經(jīng)歷了200多年的發(fā)展才走到今天的鋰電階段，目的就是為了更輕便、小巧、能量更高[31]，鋰離子電池現(xiàn)在應(yīng)用到我們生活中的各個(gè)方面，手機(jī)、電腦、平板、電動(dòng)車(chē)、攝像機(jī)等用的電池都是鋰離子電池。鋰離子電池還有一個(gè)名字‘搖椅電池’?！?/p>

“搖椅電池，這個(gè)名字好奇怪啊，為什么叫搖椅電池呢？”

“因?yàn)殇囯x子電池是依靠鋰離子在正負(fù)極之間來(lái)回地嵌入和脫嵌來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)移動(dòng)是不是像搖椅在搖擺啊。這和其他電池不同，其他電池都是基于物質(zhì)在兩極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且電極會(huì)緩慢的發(fā)生變化，而鋰離子電池只是鋰離子在兩個(gè)電極間流動(dòng)，不會(huì)和周?chē)镔|(zhì)發(fā)生反應(yīng)，這也意味著鋰離子電池壽命很長(zhǎng)[32]?！?/p>

“大華，那鋰離子電池和鋰電池有什么區(qū)別嗎？”

“鋰電池是鋰離子電池的前身，鋰電池中用金屬鋰作負(fù)極，但是金屬鋰很活潑，充電過(guò)程中產(chǎn)生的鋰枝晶會(huì)刺穿隔膜(圖8)，使電池內(nèi)部短路，容易燃燒或爆炸，不安全。所以鋰電池剛出實(shí)驗(yàn)室就夭折啦，但是鋰這么適合作電池的材料讓科學(xué)家們愛(ài)不釋手啊，繼續(xù)進(jìn)行研究，既然不能讓鋰作負(fù)極，那就換碳材料作負(fù)極，正極材料也進(jìn)行了改進(jìn)，換成了鈷酸鋰，這樣的鋰電池已經(jīng)不是化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能了，而是陰陽(yáng)極間電子流動(dòng)產(chǎn)生的，這種能量?jī)H來(lái)自外界充入過(guò)量的電子，儲(chǔ)存在兩極間用來(lái)做功，這就是我們現(xiàn)在用的鋰離子電池(圖9)[32]?！?/p>

圖8 鋰枝晶示意圖[32]

圖9 鋰離子電池示意圖[32]

“小小的鋰電池包含著巨大的能量，它的成長(zhǎng)也是一路坎坷啊。感謝發(fā)明鋰離子電池的科學(xué)家們，不然我們就不能像現(xiàn)在這樣隨時(shí)隨地上網(wǎng)了?！毙⊙┎挥勺灾鞯馗锌?。

“科學(xué)發(fā)展的道路都是荊棘叢生的，沒(méi)有那么順利，鋰離子電池的發(fā)明要感謝三位老爺爺，分別是約翰·B·古迪納夫(John B. Goodenough)、M·斯坦利·威廷漢(M. Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino)，他們分別是鋰電池的改造者、奠基者和優(yōu)化者。他們也共同獲得了2019年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[4,33]。”

“咦，大華，你剛剛提到鋰離子電池正極用的鈷酸鋰，負(fù)極用的是碳材料，那到底用的是什么碳材料呢？”

“古迪納夫老爺爺改進(jìn)了鋰離子電池的正極，吉野彰老爺爺在此基礎(chǔ)上嘗試用碳材料作負(fù)極，他借鑒前人的研究結(jié)果，沒(méi)有選擇石墨，因?yàn)槭菀妆浑姵氐碾娊庖悍纸?，而是選擇了低溫石墨——石油焦[32]。”

“石油焦是什么東西??？和石墨又有什么關(guān)系呢？沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)。”

“石油焦是石油工業(yè)的副產(chǎn)物，是石油的減壓渣油經(jīng)焦化裝置在500-550 °C下裂解焦化而生成的黑色固體焦炭，屬于軟碳材料，是一種亂層石墨結(jié)構(gòu)堆積型材料。石油焦和石墨都是由碳元素組成的，都屬于碳的同素異形體(圖10)。那小雪，我要考考你啦，你知道常見(jiàn)的碳的同素異形體還有哪些嗎？”

圖10 碳的同素異形體

“石墨，金剛石，嗯……，不知道了?！?/p>

“除了你剛剛提到的石墨和金剛石外，還有無(wú)定形碳，石油焦就屬于無(wú)定形碳，還有富勒烯，富勒烯是近些年才發(fā)現(xiàn)的一種新型碳單質(zhì)，它形狀像足球，又叫足球烯，富勒烯的發(fā)現(xiàn)獲得了1996年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[4,34]。此外，還有石墨烯、碳納米管，石墨烯也就是單層石墨的發(fā)現(xiàn)獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[5,35]?！?/p>

“哇，碳材料家族獲得了兩個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)呢！可是，大華，我知道金剛石硬度很大，可以做切割刀，還可以加工成炫麗的鉆石，石墨可以做電極，可以做鉛筆芯，那其他的碳材料有什么用呢？”

“這些現(xiàn)在都還是科學(xué)家們的新寵兒呢，許多的功能應(yīng)用還在開(kāi)發(fā)中，在我們的日常生活中還沒(méi)那么常見(jiàn)，但是相信在不久的將來(lái)，它們?cè)诓煌念I(lǐng)域都會(huì)發(fā)揮著舉足輕重的作用的?！?/p>

隨著一路的討論，大華和小雪來(lái)到了游樂(lè)園，和約好的同學(xué)碰了面，落日余暉漸漸消失在天邊，夜幕悄悄來(lái)臨，園內(nèi)燈光絢麗多彩，美食香氣撲鼻。

“小雪，今天給你講了這么多我們生活中和諾貝爾獎(jiǎng)有關(guān)的科技發(fā)現(xiàn)，給你一個(gè)任務(wù)，留意身邊的事物，再找找看我們生活中還有哪些事物和諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)密切相關(guān)吧，有獎(jiǎng)勵(lì)哦!”

“大華，這好難啊，我怕我一個(gè)都找不到?！?/p>

“給你提示哦，我們經(jīng)常用的飯盒，還有日化用品的塑料包裝桶，空氣中稀有氣體的發(fā)現(xiàn)，臭氧層的破壞等，這些會(huì)不會(huì)也都和諾貝爾獎(jiǎng)有關(guān)呢，我們一起去尋找吧，就先從我們眼前的所‘見(jiàn)’所‘聞’開(kāi)始……?！?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

科技發(fā)展把我們從原來(lái)的農(nóng)耕社會(huì)帶到現(xiàn)在的科技生活，諾貝爾獎(jiǎng)作為科學(xué)最高獎(jiǎng)，見(jiàn)證了科學(xué)的發(fā)展歷程，同時(shí)也激勵(lì)著無(wú)數(shù)的科技工作者堅(jiān)持不懈，數(shù)十年如一日地在探索中前進(jìn)。我們?cè)诹私膺@些獲獎(jiǎng)成果給我們生活帶來(lái)的影響及價(jià)值的同時(shí)，也應(yīng)注意到，科學(xué)研究是一個(gè)漫長(zhǎng)、艱巨而且荊棘叢生的道路。希望廣大青少年在了解科學(xué)知識(shí)，領(lǐng)悟科學(xué)內(nèi)涵的同時(shí)，鑄造科學(xué)精神，保持一顆好奇心，勇于踏上科學(xué)探索之路。