“結繩探構”化學科普

董昊岳，馮真真，段江巖，石恒宇，周金梅，張慧君

廈門大學化學化工學院，化學國家級實驗教學示范中心(廈門大學)，福建 廈門 361005

1 引言

中國結是中國傳統(tǒng)文化的象征。一根繩線一纏一繞，編出眾多形制精巧的繩結藝術品，其中凝結著古人的智慧和對未來美好的愿景。在世界文化交流日益頻繁的今天，中國繩結藝術突破傳統(tǒng)，不斷創(chuàng)新，積極在國際舞臺上弘揚中國文化[1,2]。在微觀世界中，有限的化學元素通過化學鍵合組成超乎大眾想象的眾多奇妙分子結構?；瘜W結構決定分子性質，分子性質則主導自然界中各種物質的復雜功能。我們將繩結藝術與化學結構融合(圖1)，創(chuàng)作出形制獨特的“分子結構中國結”，并從2021年初開始在大、中、小學和社區(qū)開展系列“結繩探構”科普活動[3-7]，以特色中國結為載體科普化學結構之美、化學結構之妙，讓大眾在親手編結的過程中體驗化學鍵合豐富的創(chuàng)造性。

圖1 “結繩探構”化學科普的設計思路(背景為苯分子中國結)

本文主要圍繞“分子結構中國結”的設計、制作和化學科普展開，重點以“甲烷分子中國結”和“互鎖結構中國結——三葉結”為例，總結5次科普活動的實踐經驗及反饋，力圖為讀者完整展現(xiàn)“結繩探構”——一個全新的化學科普形式。

2 分子結構中國結

2.1 中國繩結藝術

中國的結繩技藝貫穿了整個中華民族發(fā)展史。舊石器時代，結繩記事方式出現(xiàn)。據《周易·系辭》記載：“上古結繩而治，后世圣人易之以書契”[8]。繩結開始是作為記事符號，并經歷系列演變，體現(xiàn)了當時社會的文明程度。至奴隸社會時期，文字開始形成并發(fā)展，繩結逐漸向裝飾藝術品轉變。到宋代時就已出現(xiàn)12種基本結式，如平結、十字結、萬字結、盤長結等，且組合變化的樣式豐富[9,10]。明清時期，繩結藝術進入鼎盛時代，出現(xiàn)了大量造型獨特、配色豐富的中國結，例如“雙魚結”“方勝結”“如意結”“龍鳳結”等。它們被裝飾到各類器物、服裝、首飾上，并被賦予平安、團圓、吉祥、如意等美好的含意。

近現(xiàn)代以來，中國結作為傳統(tǒng)文化的象征，不僅在中國尋常百姓的生活中隨處可見(圖2)，而且開始進入國際視野。中國聯(lián)通是中國最大的通訊企業(yè)之一，其標志就是以盤長結為基礎創(chuàng)意演變而來的。體現(xiàn)造型和色彩之美的吉祥中國結也是國際時尚界的寵兒，在各類國際品牌新品發(fā)布會上開始頻繁出現(xiàn)中國結設計元素[11]。中國結掀起的“中國風”甚至被帶到太空。2012年6月16日，“神州九號”搭載一枚紅色中國結飛天，讓全世界共同見證浩渺太空中這一抹濃濃中國紅[12]。在2022年北京冬奧會，中國結元素更是貫穿始終。無論是開幕式中的雪花中國結，還是閉幕式上的巨型數(shù)字AR(增強現(xiàn)實)技術“中國結”，都寄托著“世界大家庭一起向未來”的美好祝愿，也體現(xiàn)了“人類命運共同體”的理念[2]。

圖2 慶祝廈門大學百年校慶中國結作品展示(周金梅老師創(chuàng)作)

2.2 分子的化學結構

化學周期表中的元素僅有100多種，它們通過不同鍵合方式組成了我們生活中各類結構多樣、功能豐富的奇妙分子。以碳元素為例，原子之間有單、雙、三鍵三種連接方式，卻能構成金剛石、石墨、石墨烯、富勒烯(如C60、C70)、碳納米管、石墨炔[13]、環(huán)[18]碳[14,15]等多種同素異形體。不同的化學結構決定了不同的分子性質和功能，如金剛石非常堅硬，既可以加工成珠寶，也常被用于制造切割或鉆探工具；石墨卻質軟，可用于制備耐火、導電材料，在機械工業(yè)中還常用作潤滑劑。石墨烯、富勒烯和碳納米管等都是π-共軛體系，但分別為平面、球形和柱狀拓撲結構，因此各自表現(xiàn)出非常獨特的物理、化學性質。2004年，英國曼徹斯特大學的Geim教授和Novoselov教授成功從層狀石墨結構中剝離出僅有一個碳原子厚度的單層石墨烯，并發(fā)現(xiàn)其特殊的量子性質。他們因此獲得2010年的諾貝爾物理學獎。富勒烯和碳納米管自20世紀被發(fā)現(xiàn)以來就是納米材料中的明星分子，關于它們性質和應用的研究直到現(xiàn)在依然備受關注。最近，廈門大學的謝素原院士和袁友珠教授團隊還發(fā)現(xiàn)C60可作為電子緩沖劑改性銅基催化劑，從而成功攻破由合成氣制備乙二醇的常壓加氫催化技術難關[16]。

有機化合物是構成自然界中各類復雜生命體的最重要化合物，包括蛋白質、氨基酸、核酸、碳水化合物、血紅素、葉綠素、脂肪、酶、激素等。它們主要僅由碳、氫、氧、氮、硫、磷這幾種元素組成，但化學結構千變萬化、功能各異。重要遺傳物質脫氧核糖核酸(DNA)的雙螺旋結構就是其中最著名的例子，它是傳承生命的關鍵模板。分子結構是理解物質物理、化學性質及變化規(guī)律的重要基礎。近年來，隨著分子納米技術的興起，具有獨特立體結構和功能的機械互鎖分子不斷涌現(xiàn)，極大地推動了化學拓撲學和機械立體化學的發(fā)展。尤其是，2016年諾貝爾化學獎就頒發(fā)給了Sauvage教授、Stoddart教授和Feringa教授，以表彰他們在設計與合成分子機器上的卓越貢獻[17-19]。

化學結構如此豐富和重要，但社會大眾對其知之甚少，主要原因是缺乏富有創(chuàng)意的科普形式。近年來，除了常見的球棍模型，還陸續(xù)出現(xiàn)使用串珠[20,21]、塑料管[22]、橡皮泥、硬紙板等材料制作分子結構模型的科普嘗試。分子結構模型將微觀、抽象的化學結構具體化、可視化、立體化，能顯著增強學生的空間想象能力，但對社會大眾來說，這種科普方式的接受度有待提高?；诖?，我們希望以大眾喜聞樂見的“繩結藝術”為基礎，開發(fā)一種融合傳統(tǒng)文化與藝術創(chuàng)造力的新科普載體。

2.3 分子結構中國結

廈門大學從2013年開始開設“中國結”選修課，將中國傳統(tǒng)的繩結技藝納入學校的美育課程體系?；诙嗄陙碓诨A化學和中國結兩方面的教學實踐，我們于2021年初建立“結繩探構”科普團隊，旨在將中國繩結藝術與化學結構融合，以“分子結構中國結”為載體科普化學結構之美、化學結構之妙。截至目前，已經創(chuàng)作出“碳的同素異形體”“簡單碳氫化合物”“機械互鎖分子”等系列特色中國結(圖3)，并分別在大、中、小學和社區(qū)開展了5次科普活動[3-7]，獲得大量積極反饋。這既是借助中國繩結藝術的魅力來科普化學知識、展示奇妙分子世界的成功嘗試，也是對中國傳統(tǒng)文化與技藝的傳承、創(chuàng)新和推廣。

圖3 “碳的同素異形體”“碳氫化合物”“機械互鎖分子”系列作品展示

2.4 兩種簡單分子結構中國結的制作

2.4.1 甲烷分子中國結

甲烷(CH4)是最簡單的有機化合物，其立體結構是正四面體構型。一般的結構式僅能表示分子中各原子的連接情況，無法反映其真實的空間構型。因此，我們最先選取了甲烷分子作為設計對象。在中國結的基本結式中，紐扣結和十字結的形狀接近球形，用不同顏色的絲線編結，可用來代表各種原子；金剛結、平結、繞線等基本結都比較結實、立體，可用來代表價鍵。如圖4所示，為了模擬甲烷分子的四面體結構，我們用可以扭曲出接近109°夾角的十字結代替碳原子中心，用固定長度的繞線或平結代替碳-氫鍵，最后用簡單的半結或雙聯(lián)結代替氫原子。參與者可以自由選擇不同顏色的繩線來制作原子，比如以黃色十字結為碳原子，灰色雙錢結為氫原子，綠色雙錢結為氯原子，可以制作出相應的氯仿、二氯甲烷等甲烷分子衍生物中國結。另外，如果用4種不同顏色的絲線打結，分別代表碳原子上連接的四種不同基團，還可以科普分子手性的概念。利用類似的思路，還可以繼續(xù)設計和制作乙烷、丙烷、環(huán)己烷、乙烯、乙炔等分子結構，其中環(huán)己烷中國結還可以用來展示椅式構象與船式構象之間的翻轉過程(圖5)。

圖4 甲烷(衍生物)分子結構中國結的設計與制作

圖5 環(huán)己烷的構象翻轉

2.4.2 互鎖結構中國結——三葉結

機械互鎖分子結構中至少有兩部分是無共價鍵相連的，但卻無法在不切斷共價鍵的情況下將其分開。這種不破壞原有化學鍵的兩個或多個“組件”間的空間纏繞被稱為機械鍵。索烴和輪烷是最具有代表性的兩類機械互鎖分子。近年來，在納米尺度上將分子纏繞、打結，并研究其特定拓撲結構對分子物理、化學性質的影響越來越受到科學家的關注，并成為一門新興學科——“分子納米拓撲學”[23]。

三葉結是數(shù)學紐結理論中最簡單的結。近三十年來，合成化學家對三葉結拓撲結構分子的構筑一直興趣濃厚，已發(fā)展了金屬配位合成[24]、硅基模板法等[25]多種合成策略[26]。因此，我們選取三葉結為“分子納米拓撲學”的科普設計對象。如圖6所示，可先編一定長度(如13-14 cm)的金剛結來代表分子鏈，再經交叉纏繞后，連接長鏈的兩端，即可得到三葉結。值得注意的是，纏繞的方向不同能得到一對互為鏡像的三葉結，即三葉結具有拓撲手性。利用類似的思路還可以制作8字結、五葉結、雙8字結等一系列互鎖結構中國結。

圖6 三葉結的設計與制作

3 結繩探構科普活動

基于系列“分子結構中國結”的成功創(chuàng)作，“結繩探構”團隊于2021年初開始走進大、中、小學和社區(qū)，針對不同年齡層次人群的需求[27]，開展化學科普活動(表1)。

表1 5次“結繩探構”科普活動概況

我們的科普方案大致如下：

1) 在小學和初中，從與工業(yè)生產、日常生活密切相關的沼氣和可燃冰入手，介紹最簡單的有機分子——甲烷；通過甲烷分子中國結的制作，使參與者初步了解有機分子的立體構型差異及性質；通過展示系列分子結構中國結為學生打開探索分子世界的大門。

2) 在高中，通過展示3個系列的分子結構中國結，使學生了解化學結構的多樣性；以碳的同素異形體為例，講解分子結構與性質、功能之間的緊密聯(lián)系；通過制作甲烷分子(衍生物)中國結，討論和理解烷烴分子的構型與構象。

3) 在大學，引入新興前沿研究領域——分子納米拓撲學的動態(tài)，介紹分子機器、分子結、機械鍵、機械互鎖等新概念；通過三葉結的制作，使學生體驗突破傳統(tǒng)化學分子幾何結構限制的化學拓撲學的魅力；展示更多系列分子結構中國結，使學生了解化學結構的多樣性。

“打結”是“結繩探構”科普活動中關鍵的一環(huán)?！按蚪Y”看似簡單，實則需要極大的專注和耐心，“打結”的過程也是對參與者想象力、觀察力、動手能力的培養(yǎng)過程。圖7中展示了科普活動的具體場景以及活動中部分學生的分子中國結作品。

圖7 “結繩探構”科普活動現(xiàn)場及作品展示

在開展科普活動的同時，我們及時通過問卷調查及現(xiàn)場交流等方式收集反饋意見。在小學生和初中生中，所有學生都能在教師指導下順利用十字結、繞線和半結等完成甲烷分子中國結的制作，90%以上學生表示這種科普方式能夠幫助他們理解甲烷分子的四面體構型，并且強烈感受到分子結構之美。在分子結構中國結的展示環(huán)節(jié)，學生們手捧中國結分子模型展開想象，將冠醚分子比作王冠，將環(huán)己烷分子比作椅子，將富勒烯比作足球。

在高中生中，所有學生都能順利用十字結和稍復雜的平結、雙聯(lián)結等完成甲烷分子中國結的制作，部分學生還主動加入自己的創(chuàng)意，比如制作各種甲烷衍生物模型和模擬圣誕樹制作圣誕專屬甲烷中國結掛件等。其中，90%以上的學生表示“結繩探構”活動形式新穎，能激發(fā)他們學習化學的興趣，希望以后多開展這種活動，并且建議將“分子結構中國結”作為教具應用于化學教學中。

在大學生中，大部分學生都表示繩結藝術讓他們感受到傳統(tǒng)文化魅力的同時，能幫助他們充分理解化學鍵合強大的創(chuàng)造力。分子結的制作使他們能更加形象地理解機械鍵、機械互鎖、分子機器、化學拓撲學等前沿概念，激發(fā)他們深入學習的興趣。不少學生還將自己制作的三葉結作為掛件或擺件，掛在書包、鑰匙上。

4 結語

繩結藝術來源于生活，傳承著中華民族千年的文化。以繩結藝術為基礎，我們創(chuàng)造出系列形制獨特的“分子結構中國結”?！敖Y繩探構”以中國結為藝術和美的載體，自然而然地拉近了大眾與化學結構科普之間的距離，激發(fā)大眾了解和學習化學知識的欲望?！敖Y繩探構”科普活動是一場面向普羅大眾的文化、藝術和科學融合的盛宴。已經開展的5次科普活動獲得了大量正面、積極的反饋意見，激勵我們未來設計、創(chuàng)造出更多系列的“分子結構中國結”，并且在全國推廣“結繩探構”科普活動。