新民日报,化学与人生

作者:国际学校

大多数人以为,基础研究是一场寂寞而又持久的竞赛——现在的付出,不知将来何时才能得到回报。复旦大学高分子科学系教授邵正中不这么想:节前喜获“上海市自然科学牡丹奖”,节后又立马投入了国家自然科学基金委、教育部、欧盟Asia-link等多项课题的攻关。越是忙碌,他越能找到“丝丝入扣”的快乐!  研究蚕丝引起轰动  蜘蛛丝被公认为自然界中的综合力学性能冠军,被誉为“生物钢”、“超级纤维”。有人计算过,如果把蜘蛛丝捻成铅笔一般粗,其强度足可以拉住一架波音747起飞。可是,蜘蛛不仅不勤于吐丝,而且还会互相残杀,因而蜘蛛丝的收集成了大难题。科学家千方百计人工合成蜘蛛丝,但成本高得惊人。  蚕丝的二级结构和蜘蛛丝几乎完全一致,力学性能应该不差。为什么实际表现却逊色很多?邵正中和同事们用了4年时间,终于找到了原因:蚕宝宝吐丝结茧时爱跳8字舞,正是这个习惯动作给蚕丝留下了许多先天损伤。也就是说,如果能有外力将蚕丝匀速拉出,其力学性能必定大增。这一题为“蚕丝的惊人力量”的研究论文发表在《自然》杂志后,引起了轰动。  清晨是一天中最冷的时段,被晨露打湿的蜘蛛网,显得更坚韧。有人将之归结为自然进化“苦心经营”的结果。邵正中又一次提出了不同意见。是什么原因,让蜘蛛丝遇水则缩,遇到低温不脆反韧?复旦大学和牛津大学的联合研究证实:在只有1/100头发丝粗细的蜘蛛丝内部,成千上万条分子链朝同一方向排列;被水淋湿后,原本整齐的列队横七竖八,蜘蛛丝因此收缩。科学家把前后两种相反的分子链排列过程称为“取向”和“解取向”。“取向排列”正是蜘蛛丝强韧的微观秘密,而“解取向”只是“无心插柳”的副产品。  涉猎广泛娱人娱己  “仅仅为了得到纺织用的高性能纤维,用转基因等手段人工合成丝蛋白没多大意义,丝蛋白应该有更高端的用途。”自然界唯一可以纺成丝的蛋白质——丝蛋白,令邵正中着迷,他的研究方向越来越不“安分守己”。  把动物丝蛋白当作纯蛋白质来用,在组织工程上大有可为,比如,多孔支架、神经导管等。邵正中课题组和华山医院合作,将丝蛋白涂覆的钛网应用于家兔的人工气管中,促进了气管黏膜的修复愈合。把丝蛋白引上生物矿化的路子,前景也相当乐观。比如,将泥状的丝蛋白填入骨头中,便是很好的骨髓泥。  其实,被博士生导师于同隐教授领进蚕丝研究之门之后,邵正中没有循规蹈矩地铺开“学术摊”,他不仅关注动物丝蛋白,而且关注大豆蛋白、胶原蛋白等结构性蛋白质。书橱里一半的书,不是高分子专业的,物理、化学、生物学、动物学、数学、计算科学都有所涉猎。邵正中自称“三脚猫”,“其实,每个做基础科学研究的人,都认为自己的研究领域是有趣的。而我的讨巧之处在于,‘自娱自乐’的同时还娱乐了别人。”

(本文节选自江明院士给参加全国高中生化学竞赛冬令营学员的讲座)很高兴今天能来这里给这么多热爱化学的中学生作报告。我的题目是化学与人生,这个题目非常大,我只想就我的研究所涉及的领域进行一些介绍。主要讲两方面内容:一是小分子到高分子的飞跃,二是超分子化学的发展。大家知道,人类利用天然高分子已经有数千年的历史。比如,天然树胶,蚕丝,纤维素,还有生命体中不可缺少的核酸,蛋白质等。但是直至20世纪30年代之前,化学家们都在研究小分子的反应。Staudinger首先提出了高分子的科学概念,从此高分子化学开始发展。人工合成的高分子材料如聚乙烯、聚苯乙烯的相对分子质量大约102~104 ,而天然高分子如DNA、RNA、蛋白质等的相对分子质量可以达到102~1010。高分子材料的性质决定于单体组成和链的构象。目前,我们已经可以通过扫描电子显微镜观察到高分子链的单个分子结构。 高分子链在外力下可以被拉伸,这就是为什么橡胶具有弹性。将众多高分子长链集结成网,加入硫磺将节点用化学键键合起来,可以增强橡胶的弹性,这就是我们所说的硫化橡胶。结构分析表明,天然橡胶为全顺式聚异戊二烯。用异戊二烯单体,通过催化剂合成与天然橡胶性质极为相似的高分子材料,是上世纪40年代高分子学科最富有创造性的成果。不同的单体组成高分子链的一级结构,单链空间构象构成二级结构,多个链按照一定规律聚集起来组成三级结构。下面我要重点介绍一下复旦大学高分子系邵正中教授的一项非常有趣的科研成果——基于合成高分子聚集态结构的研究——蚕丝和蜘蛛丝的对决。蜘蛛丝是一种综合力学性能极好的动物丝,人们发现它具有很高的模量、机械强度、弹性以及断裂吸收能。这些都是蚕丝无法比拟的。但是我们不能用人工方法大批生产蜘蛛丝。遗传学家们曾用转基因的方法,将蛛丝蛋白的基因转入山羊乳腺,得到转基因山羊奶,分离得到了蛛丝蛋白。然而人们发现,这样产生出的蛛丝综合力学性能并不好。邵正中教授经过十几年的研究,发现动物丝的三级结构可以影响到他的力学性能。研究蚕的吐丝方法,认为它八字的吐丝方法造成了丝的结构缺陷,把蚕的头固定起来,用人工的方法直线抽丝,得到的丝具有可以与蜘蛛丝相比拟的综合力学性能。现在让我们回到合成高分子上来,看一下嵌段共聚高分子聚合物的分子自组装。两种嵌段物不相容,同时又被化学键连接在一起,形成了规则的微相结构,有层状、棒状及球状等。通过透射电镜的观察,可以看到非常规整、美丽的纳米级的微观结构。超分子化学是研究分子以非共价键合而构成复杂有序的分子聚集体的化学。自从上世纪80年代以来,法国科学家JM Lehn提出该概念以来,已成为构建纳米材料的主要方法,是化学史上的又一个重大飞跃。最后我想谈一些化学家品格方面的话题。记得50年前我上中学的时候,有一篇课文是苏联一位科学家巴甫洛夫给青年的信,我至今还记得。他说作为一个科学工作者,首先要循序渐进,从一开始工作起,就要在积累知识方面养成严格循序渐进的习惯。第二要谦虚,无论在什么时候,永远不要以为自己已知道了一切。不管人们把你们评价得多么高,你们永远要有勇气对自己说:我是个毫无所知的人。第三要热情。献身科学,热情至关重要。热情来自何方?来自探索未知世界的兴趣,研究充满趣味,科学充满挑战,我们的工作就是没完没了的学习知识和解决问题。再讲大一点,我们的热情更应该来自建立一个化学强国的目标。我经过文革,其眼目睹了中国从一个化学侏儒到一个化学大国的变化。然而,如何使中国变成一个化学强国,任务就落在你们这一代科学工作者的身上。科学无国界,但科学成果是有国籍的。我从事了25年的科学工作,最值得骄傲的并不是成为院士,而是我的每一项成果都打上了中国的标志。希望你们这些热爱化学的青年们能以那些科学大师的人格作为榜样,今后从事化学方面的工作,为中国化学事业的发展贡献力量。

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