◆43位两院院士倡议发起,金涌院士总策划,多位院士和专家参与策划撰写书稿。
◆专门针对初高中学生、大学一年级新生及普通读者,让大家看到不一样的美丽化学和美丽化工。
◆包括一本书和十部视频短片《桌面工厂》《电力银行》《智能释药》《神奇的碳》《分子机器》《OLED之梦》《复合材料》《病毒制造》《生物炼制》《细胞工厂》。
◆曾经为全国100 多所中学的高中学生做了试映,好评如潮。
《探索化学化工未来世界:值得为之付出一生(1)》是化学化工领域的专家学者为青年学生专门编写的一套科普书,反映了当今世界*前沿的化学化工科技成果。化学和化学工程在人类社会中一直起着重要作用,也对人类生活产生了重要影响。现代文明离不开化学与化学工程,同时,化学和化学工程一直在不断进步、推陈出新,为人们的想象力发展和创造力实践提供充分广阔的空间。这《探索化学化工未来世界:值得为之付出一生(1)》以及和它配合的视频短片,可以让读者从科学和工程前沿的全新视角,看到不一样的美丽化学和美丽化工。
《探索化学化工未来世界:值得为之付出一生(1)》是中国工程院化工、冶金与材料工程学部、中国科协青少年科技中心、中国科学技术协会科学普及部重点资助项目。其内容经过了几年时间的策划、创作和打磨,尽量做到前沿性、科学性、科普性、趣味性、艺术性、传播性的统一,力求深入浅出,图文并茂。
01 桌面工厂
02 电力银行
03 智能释药
04 神奇的碳
05 分子机器
06 OLED之梦
07 复合材料
08 病毒制造
09 生物炼制
10 细胞工厂
图片来源
参考文献
北京静远嘲风动漫传媒科技中心创作01_桌面工厂.indd102016/5/1911:27:03王凯吕阳成骆广生
宽阔的厂房,高耸的烟囱,巨大的储罐,轰鸣的机器;化工厂在人们心目中总是与这些场景分不开,但科学家除了在建设这样的庞然大物上下功夫之外,其实还为化工过程打造了一个袖珍王国。
桌面工厂
DesktopFactory
通向未来化工世界桥梁的微化工系统0101_桌面工厂.indd12016/5/1911:27:03桌面工厂
通向未来化工世界桥梁的微化工系统王凯副教授,吕阳成副教授,骆广生教授(清华大学)BridgetotheFutureoftheWorldofChemicalEngineering:MicrostructuredChemicalSystemDesktopFactory
微化工系统是由小型化的、高度集成化的化工装置构成的系统,它的出现变革了数百年来化工装置大型化发展的策略,展示了化学工业的未来。微化工系统是基于化工最基本的传递强化原理,在精密加工技术的促进下发展而成。在实验室里,利用微化工器件可以组装“桌面上的化工厂”,在工业化的发展道路上微化工系统已经开展了初步的尝试。本文将介绍微化工系统的基本原理、制造方法、内部奇特的物理化学现象和几个典型的应用实例,展示微化工系统在精细化学品开发和生产中的应用潜力,指出其未来的发展方向。01_桌面工厂.indd22016/5/1911:27:03DesktopFactory3
1.1引言
世界是由物质组成的。为了满足生产生活的需要,人类祖先从自然界直接获取各种天然物质。随着社会的发展,特别是现代文明的出现,人类对物质的需求量越来越大,对于物质的性质和功能也提出了越来越高的要求,这种社会需求极大地推动了加工技术的不断创新与发展,化学工业就是其中的典型代表。化学工业通过对自然资源进行一系列物理和化学转化,实现各种功能和规格的化学产品的大规模生产,在现代社会中具有举足轻重的地位。从化纤到轮胎,从水泥到涂料,从汽柴油到化学药物,从宇宙飞船到超级集成电路,我们身边到处都有化学产品的身影,可以毫不夸张地说:没有化学工业就没有现代文明。
当我们在日常生活中享受化工产品给我们的生活带来便利的时候,也不禁要问这些产品是如何生产出来的?我们都知道,若仅需要少量的化学品,化学家们在实验室就可以完成,他们使用试管、烧杯、量筒、水浴等仪器,经过一系列反应和纯化操作,就可以合成出所需要的化学品。但若产品的需求量巨大,如几万吨甚至上百万吨的产品,就需要建设专门的化工厂。这些化工厂与实验室的显著差异在于生产工具发生了巨大的变化,在实验室用于化学反应的试管、烧瓶变成了以立方米来计量的搅拌釜,提纯用的分液漏斗、蒸馏烧瓶变成了数十立方米的塔设备,储存化学品的试剂瓶变成了数百至数千立方米的储槽,用于计量的量筒、天平变成了数字化的仪表,用于加热的水浴变成了兆瓦级换热器,步骤繁琐的人工操作被自动化的连续生产线所代替。可以说,化学工业是将化学带出实验室,将分子转化为“钱”,不断创新经济和社会效益的产业。
古代的酿造业可以说是化学工业的雏形,酿酒用的发酵釜和酒精的蒸馏过程就是原始的化工反应和分离过程。现代化学工业起源于工业革命时期,随着机械加工、自动控制以及信息化技术的发展,上百年来无数的化工科学家将化学家在实验室的成果通过工程科学的运用实现了产业化。时至今日,化学工业的发展已经相当迅速,现代化工装备已经实现高度的精细化和自动化,很多技
401桌面工厂
图1.1大型化工生产企业
术工艺也逐渐趋于成熟,可是数百年来化工装备大型化的发展理念却几乎一成不变。为了不断扩大产量,化工装备逐渐向着大型化发展,化工设备的体积越来越大,化工厂的规模、占地面积也越来越大,高耸林立的塔设备、密密麻麻的物料管线、如繁星般灯火密布的生产车间……在我们为这些伟大的生产建设而感到兴奋的时候,也会发现化工似乎又常与污染、危险等关键词联系在一起。因此,人们不禁要问:化学工业能否找到收获福音的可持续发展模式呢?
现代文明不可能离开化学工业,而且随着人口的增加,资源、能源以及环境压力的增大,社会的发展对于化学产品的依赖也在不断增加,图1.1就是现代大型化工企业的一个场景。早在上个世纪,科学家们就已经意识到单一大型化的发展模式已严重制约了化工技术的创新,化学品产量和品质的提高应该源于生产效率和产品收率的提高。为了达到这一目标,化工专家们指出,新的发展模式和不断深入的化工基本规律认识,是化工设备和工艺创新发展的重要基础。微结构化工系统就是这种模式的代表之一。
01_桌面工厂.indd42016/5/1911:27:04DesktopFactory5传递一词源于对英文单词transport的翻译,主要指物质和能量在空间和时间上的迁移,故名传递,有关传递科学的经典著作是R.ByronBird,WarrenE.Stewart,EdwinN.Lightfoot编写的TransportPhenomena,JohnWiley&Sons;出版。梯度是一个矢量,它的方向指物理量增长最快的方向,大小是其单位距离上的最大变化量。物理量梯度是引发物理量传递的“推动力”。无处不在的传递
1.2现象“天之道,损有余而补不足”这句话出自老子的《道德经》,意思是大自然的规律,遵循的是减少多余的,补给不足的。事实上,我们的先贤早在2500年前就道出了自然界一个普遍真理,也就是传递现象遵循的基本原则。
简单来讲,传递现象是指某物理量从高强度区域自动地向低强度区域转移的过程,这是自然界和工业生产过程中普遍存在的物理现象。例如,气球中的高压气体向周边低压环境的释放;烧开水时高温的火焰会向低温的水提供热量;水中的糖分会从较甜的高浓度区域扩散到较淡的低浓度区域,等等。发生这些传递现象的根本原因是物理量的空间位置存在差异,造成了物质或者能量沿着一定的方向发生迁移,即传递过程。物质或能量的传递速率主要取决于相应物理量(比如温度、浓度)差异的大小以及这种差异存在的空间距离(比如高浓度或高温区域与低浓度或低温区域之间的距离)。
试想,烧开水时火焰温度越高,加热的速率就越快,水开得也越快;火焰离水的距离越远,加热的速率就越慢,水开得也越慢。物理量的差异与空间距离的比值,即所谓的“梯度”,它会直接决定传递速率的大小。01_桌面工厂.indd52016/5/1911:27:04
这是一本真正意义上的“打开眼界”的书。在阅读《探索化学化工未来世界:值得为之付出一生(1)》之前,我对化学化工的认知是模糊且片面的。但这本书以其宏大的视角和详实的论证,让我得以全面而深入地了解这个领域。它不仅介绍了当前的前沿技术,更重要的是,它描绘了这些技术未来的发展方向和潜在影响。我特别对书中关于个性化医疗的讨论留下了深刻的印象。通过对人体分子层面的深入研究,化学化工能够帮助我们实现更加精准、有效的疾病诊断和治疗,甚至可以根据每个人的基因特点,量身定制治疗方案。这种以人为本的科学探索,让我看到了医学的未来,也让我更加深刻地理解了化学化工在其中扮演的关键角色。
评分这是一本能够激发想象力的书。它不仅仅是陈述事实,更是描绘愿景。书中关于智能材料和纳米技术的章节,让我仿佛置身于科幻电影之中。那些能够根据环境变化而改变自身性质的材料,或者能够在微观层面进行精确操控的纳米机器人,这些曾经只存在于幻想中的事物,在书中却被描绘得如此真实可信。它让我意识到,化学化工的未来,充满了无限的可能。这种将科学的边界不断拓展,并且致力于解决人类最根本问题的精神,让我对这个领域充满了好奇,也让我开始思考,或许我也可以在某个领域,为这样的未来贡献自己的一份力量。它不仅仅是一本知识的书,更是一本关于梦想和追求的书。
评分读完《探索化学化工未来世界:值得为之付出一生(1)》,我最大的感受是,化学化工绝非仅仅是“制造”和“生产”,它更是“创造”和“革新”。书中所展现的,是一个充满活力和挑战的领域,科学家们在这里不断地挑战极限,探索未知。我尤其被书中关于人工合成生物学的描述所吸引。将化学的原理应用于生命科学,创造出具有特定功能的生物体,这听起来就充满了未来感。这种跨学科的融合,以及由此带来的巨大潜力,让我对化学化工的未来发展充满了期待。它不仅仅是在解决现有的问题,更是在开辟全新的可能性,为人类的生存和发展开辟新的道路。
评分作为一名对科学充满好奇心的普通读者,我最近偶然翻阅了《探索化学化工未来世界:值得为之付出一生(1)》这本书,虽然我并非科班出身,但书中所展现出的化学化工领域那些令人振奋的探索和无限可能性,着实让我惊叹不已。它不仅仅是一本技术性的著作,更像是一扇通往未来的窗户,让我得以窥见那些隐藏在日常生活背后,默默改变着世界的强大力量。当我阅读到关于新材料研发的部分时,书中描绘的那些轻盈却坚固得令人难以置信的复合材料,以及它们如何可能应用于航空航天、建筑甚至我们日常穿着的衣物上时,我仿佛看到了一个崭新的时代正在悄然来临。那些工程师和科学家们,他们是如何凭借智慧和毅力,一点一滴地将那些最初只存在于实验室中的概念,转化为影响我们生活的现实?书中的描述让我对他们的创造力肃然起敬,也让我开始思考,我们身边那些看似平常的物品,背后可能蕴含着多么深厚的科学积淀。
评分阅读《探索化学化工未来世界:值得为之付出一生(1)》的过程,是一次充满惊喜的智力冒险。我原本以为化学化工只是一个相对枯燥的学科,充斥着复杂的公式和理论。然而,这本书却以一种引人入胜的方式,将那些抽象的概念变得生动具体。它并没有回避技术的深度,但更侧重于展现这些技术背后所蕴含的创新精神和解决实际问题的能力。当我读到关于药物研发的部分时,书中详细阐述了化学家如何通过对分子结构的精妙设计,来创造出能够靶向治疗疾病的新型药物。这种对生命奥秘的探究,以及将科学知识转化为守护人类健康的强大武器,让我不禁感叹人类智慧的伟大。那些科学家们,他们不仅仅是实验室里的理论家,更是现实世界的“问题解决者”,他们的工作直接关乎着我们的健康和福祉,这种使命感让我肃然起敬。
评分我一直以为化学化工只是一个离我生活很远的领域,直到我读了《探索化学化工未来世界:值得为之付出一生(1)》。这本书彻底颠覆了我的看法。它用生动形象的语言,向我展示了化学化工如何渗透到我们生活的方方面面,并且在不断地为我们的生活带来惊喜和便利。从我们使用的电子产品到我们呼吸的空气,再到我们享用的食物,几乎每一个方面都离不开化学化工的贡献。我特别对书中关于水处理和环境保护的章节印象深刻。书中详细介绍了科学家们如何利用化学的原理,将污染的水源净化成可以饮用的水,如何处理工业废弃物,减少对环境的污染。这种将科学的力量用于解决现实世界最棘手问题的决心和能力,让我对这个领域产生了由衷的钦佩。
评分《探索化学化工未来世界:值得为之付出一生(1)》这本书,让我看到了一个充满智慧和热情的群体。那些投身于化学化工领域的科学家和工程师们,他们用自己的才华和汗水,为我们创造了一个更加美好的世界。书中关于将废弃物转化为有价值资源的章节,让我尤为感动。这不仅仅是对资源的有效利用,更是一种对环境负责的态度。他们通过创新的化学方法,将曾经被视为垃圾的物质,转化为可以再次利用的材料,这是一种循环经济的典范。这种将科学的进步与可持续发展的理念相结合的努力,让我对未来的环境保护和资源利用充满了信心。这不仅仅是一本关于化学化工的书,更是一本关于人类智慧和责任的书。
评分这本书给我最深刻的印象,莫过于它所揭示的化学化工在可持续发展中的核心作用。在如今全球气候变化日益严峻的背景下,人们普遍关注环保和绿色能源。而本书则以一种更加宏观和前瞻性的视角,深入剖析了化学化工如何成为解决这些挑战的关键。书中关于绿色化学和生物基材料的章节,让我第一次如此直观地感受到,原来那些我们在日常生活中习以为常的塑料制品,可以通过更加环保的方式被制造出来,甚至可以实现完全的生物降解。这不仅是对环境的巨大贡献,也预示着一种更加循环和可持续的经济模式。我尤其对其中提到的利用生物质资源替代石油基原料的设想感到兴奋,这意味着我们或许可以摆脱对有限资源的依赖,建立一个更加持久的能源和材料供应体系。这种将科学技术与环境保护有机结合的思路,真的让我看到了希望,也让我对未来充满了更积极的期待。
评分这本书所描绘的未来图景,不仅仅停留在概念层面,而是充满了可触及的现实感。它让我意识到,化学化工并非遥不可及的象牙塔,而是与我们的生活息息相关,并且在不断地推动着社会进步。我特别对书中关于能源转型的讨论留下了深刻印象。从高效的太阳能电池板到清洁的氢能源技术,化学化工在其中扮演着至关重要的角色。书中对这些技术的介绍,不仅清晰地阐述了其科学原理,更重要的是,它描绘了这些技术如何能够改变我们的能源结构,减少对化石燃料的依赖,从而为我们创造一个更加清洁、可持续的地球。这种将科学创新与全球性挑战紧密联系起来的视角,让我对未来的能源发展充满了信心,也更加理解了化学化工在其中所承担的责任和机遇。
评分《探索化学化工未来世界:值得为之付出一生(1)》这本书,以一种非常独特的视角,打开了我对化学化工领域的新认识。它不仅仅是一本技术指南,更像是一部关于创新、发现与奉献的史诗。书中所讲述的那些科学家和工程师们,他们是如何在看似微观的分子世界里,挖掘出足以改变宏观世界的巨大能量,这种探索精神深深地打动了我。我尤其对其中关于食品安全和营养学的章节印象深刻。原来,我们日常生活中所享用的更加安全、更具营养的食品,背后都凝聚着化学化工的智慧。从提高农作物产量到延长食品保质期,再到开发更健康的食品添加剂,这些看似微小的进步,却极大地改善了人类的生活质量,甚至挽救了无数生命。这种“润物细无声”的贡献,让我对这个领域产生了深深的敬意。
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