给孩子们的礼物：分子共和国与诗词里的科学 | 展卷
六一到了！本期展卷栏目为读者推出两本适合孩子们阅读的科普书籍：由中国科学院院士徐光宪带领北大化学院师生创作的《分子共和国》，以及央视节目“加油！向未来”的科学实验技术支持、“开学第一课”的科学顾问陈征专为陪伴孩子而创作的《当诗词遇见科学》。
本期赠书活动继续：留言被点赞最多的5位读者可获赠《分子共和国》一本；在所有留言者中，随机抽取20位赠送《当诗词遇见科学》（套装共20册，随机赠送单本）。活动截止时间：6月7日24点。
元素、分子、反应、化学反应方程式，在多数学生看来是难以理解，枯燥无味的，然而当他们以一个个有思想、有感情、有故事的形象娓娓道来他们的性质、反应、应用时，化学这样远在天边的城堡其实并非可望不可即。本书是中国科学院院士、2008年度国家最高科学技术奖获得者徐光宪带领北京大学化学与分子工程学院师生共同讲给孩子的极简化学课。从“单质一族”的氢气、氧气、氯气，到“无机城市”的硫酸、硝酸、二氧化碳，再到“有机城市”的苏丹红、甲醛、苯，生动介绍了众多化学分子中具有代表性的一部分分子的性质、用途、危害，构建了真实的“分子共和国”。以故事的思维趣谈分子的结构、性质、变化及其规律，以学生看得懂的文字讲述了深奥的化学知识。
撰文 | 王志永
大家好，我是来自分子共和国的碳家族的一个成员，我的名字叫C60。你们一定已经熟知我的两位哥哥一一金刚石和石墨了，他们两位生性稳重矜持，轻易不与共和国的其他公民打交道。而我则不同，我不但身材小巧，讨人喜爱，而且喜欢出去游玩。我在太空中旅行的时候，结识了很多星际分子朋友。其实他们是我的远亲，他们是碳链，而我是碳簇。
我已经记不清我来地球的准确时间了，也许是几亿年以前，也许更早。时间很快到了20世纪。有一次，我在德国看德甲联赛的时候，突然发现他们玩的足球原来跟我的结构是一样的。足球上有12个五元环和20个六元环，如果把足球的60个顶点换成60个碳原子的话，那就是我了。同样是看到了足球的结构，日本人大泽在1971年的时候提出了我的分子结构，并通过理论计算证明我在能量上是稳定的。在此之后的一段时间，一些有机化学家希望通过化学的方法来对我进行合成，可惜都没有成功。
当时，一些天体物理学家正在致力于研究太空分子，比如我下面将要提到的德国的克拉奇默和英国的克罗托。他们感兴趣的是碳链分子，他们所做实验的初衷也是希望合成碳链分子。
1983年，克拉奇默的实验室中两个石墨电极一一通电流一一放出耀眼的火花一一几千度的高温一一这是多么令我激动的时刻一一我被人类合成了！在他们拿到的光谱图上，我给出了我存在的证据，可是这对他们来说还是太难理解了。他们推测我给出的信号可能是来自碳链分子。在眼巴巴地看着他们把我搁置一旁不再理会的时候，我才深切地体会到了什么叫“有缘干里来相会，无缘对面不相识”。
1985年，克罗托来到美国赖斯大学化学家斯莫利的实验室作访问。他希望利用斯莫利的仪器，通过激光蒸发石墨的方法来合成HCC······CCN分子（中间有33个C），却意外地在质谱上发现了我的信号。他们知道我是一种由60个碳原子组成的分子，具体是什么样的结构却使他们感到迷惑。克罗托不仅是一位天体物理学家，他还对美术和建筑感兴趣。在意识到我可能具有三维结构以后，他想起了著名建筑师富勒设计的球形建筑和他的小孩玩的三维拼图。斯莫利连夜用纸片剪出了一些五元环和六元环，发现12个五元环和20个六元环可以拼成一个三维封闭结构，并且刚好有60个顶点！第二天一早，斯莫利等人就这种结构向赖斯大学数学系主任请教，这位系主任说，“孩子们，你们发现的，就是一个足球啊！”很快，克罗托和斯莫利将他们的发现发表在Nature上，为了纪念给予他们灵感的富勒，他们将我命名为“富勒烯”。
其实，我们富勒烯家族除了我以外还有很多成员，比较稳定的有C70、C76、C78、C80，等等。我们的结构中都含有12个五元环。在数学上可以证明，只由一些六元环是不能构成三维封闭结构的。比如我的二哥石墨，他完全由六元环组成，具有一层一层的平面结构。五元环的存在，可以使平面结构发生弯曲。想象一下，在一个五元环周围连上五个六元环（使五元环和六元环共边相连），并且使相邻的六元环也共边相连的话，这几个六元环是要弯起来的，像是一个碗状的结构。这个原理在日常生活中也有体现。不知你们是否见过一种用细竹条编的篮子，它的底和帮是由很多个六元环组成的，而底和帮相连也就是需要弯曲的部分，则有一个五元环。
在我们这些常见的富勒烯家族成员的结构中，还有一个规律，就是五元环之间各不相连，或者说五元环都是被六元环隔开的，这被称为“独立五元环”规则（简称IPR规则）。当两个五元环直接相连时，因为张力太大而不稳定。我C60是满足IPR规则的最小的富勒烯，比我更小的富勒烯如C50、C36等，目前只能在气相实验中被观测到，而不能被宏观量合成。
克罗托等人的论文在Nature上发表以后，人们又在几亿年前的地层中发现了我的存在，并且检测到了从太空中传来的我的信号。但是在克罗托等人的实验完成之后三四年的时间里，关于我的研究一直没有取得很大的进展。这是因为用他们的方法得到的产物中我的含量实在是太少了。
让我们再回到曾经与我擦肩而过的克拉奇默，在1983年与他一同做实验的还有一个人叫赫夫曼。赫夫曼在读到克罗托等人的论文时，才意识到他们当时得到的谱图可能也与我有关，他与克拉奇默重复了以前的实验。这次没有出乎他们的意料，他们确定了在产物中的确有我的存在，并且产量很大。我的命运又一次与他们紧紧联系到了一起，真是“有情人终成眷属”！
下面我对我们富勒烯的化学性质和应用作一下简要介绍。
首先，我们容易获得电子形成负离子。例如，我可以和碱金属反应生成离子化合物，跟钾反应的产物中有K3C60，钾是正离子，我带三个负电荷。不要小看这个不起眼的化合物，他可是具有超导性，是富勒烯类超导体中的大师兄。可惜的是他在空气中是不稳定的，这是目前研究中面临的一个难题。我和钢反应的另一种产物K6C60则是绝缘体，我在其中带六个负电荷。这两种化舍物在导电性上的差异是由于电子排布的不同造成的。当我带三个负电荷时，有三个电子是单电子；而当我带六个负电荷时，所有电子都是配对的，没有电子能参与电荷的传递。
另一方面，在我们的碳笼的外面可以通过共价键连接上一些基团。例如我跟氟气反应可以形成C60F60，在每一个C原子上均连接了一个F原子。C60F60是一种耐高温的固体润滑剂。我们富勒烯自身是不溶于水的，但是在修饰一些亲水基团之后，就可以进行生物活性方面的研究。一些富勒烯的衍生物可以跟生物体内的与疾病有关的蛋白质、DNA、自由基等作用，所以将来有望用作药物。比如有一种含有6个羧基（－COOH）的我的衍生物，可以用来治疗老年性痴呆等病症，目前已经进入临床研究阶段。另外我作为电子受体，在连上一个电子给体之后，可以用作光电转换材料，常用的与我结合的物质有卟啉类分子和共轭聚合物等。这类光电材料可以用作太阳能电池，在光电转换效率方面已经取得了令人鼓舞的结果。
再有一点，你们也许已经注意到了，在我们富勒烯的内部是一个空腔。那么能不能在这个空腔内放入一些其他的物质呢？答案是肯定的。俗话说“有容乃大”，从碱金属、碱土金属，到过渡金属，再到一部分非金属，甚至稀有气体，我都可以把他们包进去。包了之后的新结构被称为“富勒烯包含物”，用X@C2n表示。由于可以包的物质种类很多，所以包含物的性质也非常丰富。例如，活泼的N原子在被我“囚禁”在笼内以后，会稳定地以原子状态存在（N@C60），这在结构及性质上都是值得研究的；稀土元素Gd的包含物可以用作医学上的核磁共振造影剂，与传统的造影剂比较，他的灵敏度更高，并且Gd可以稳定地存在于富勒烯内部，不会释放出来与细胞接触而引起中毒；包有放射性原子的包合物可以用作示踪剂，在医疗上有重要的应用价值等。目前合成包含物最常用的方法跟合成富勒烯的方法基本相似，就是让石墨和被包的物质同时蒸发，在有富勒烯生成的同时也有包含物的生成。再有一种比较暴力的方法，就是直接把要包的物质打入我们体内。聪明的化学家们后来发明了一种更加温柔的方法一一分子手术，他们先用“手术刀”在我的身体上开一个口，然后放进去别的物质，再把开口“缝”上，这样就非常巧妙地做成了包合物。2005年，日本的小松等人利用这种方法成功地在我体内放入了一个H2分子。
前面我介绍过IPR规则，富勒烯家族大部分成员都满足这个规则，但是在碳笼外进行修饰或者在笼内包入别的物质以后，能够使五元环相连产生的张力得到释放，从而能形成不符合IPR规则的结构。比如C50Cl10（在C50外面连上10个Cl）和Sc2@C66就是这样的结构。
怎么样？经过我以上的介绍，对我们富勒烯家族有了一些了解了吧？我感觉到，很多科学家不但研究做得好，而且在研究中体现出很高的艺术修养。希望他们能做出更多更好的作品，也希望我们与人类的关系越来越密切。
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作 者 自 序
陈 征
一天，我坐在客厅的沙发上，望着墙上女儿一岁时的照片，再看看眼前已经快要超过免票高度的她，恍然发现，女儿已经六岁了。看起来她一直在身边长大，可努力搜索记忆，在女儿一生最无忧无虑的这几年里，能够捕捉到的陪她玩耍，给她读书讲故事的场景，却如此稀疏……
这些年奔忙于工作，陪孩子的时间真的太少了！
今年女儿就要上小学，放眼望去，小学、中学、大学……在永不回头的岁月中，她将渐渐拥有自己的学业、自己的朋友、自己的秘密、自己的忧喜，直到拥有自己的家庭、自己的人生。唯一渐渐少了的，是她还愿意让我陪她玩耍，给她读书、讲故事的时间……
不能等到孩子不愿听的时候才想起给她读书！这套书就源自这样的一个念头。
也许因为我是科学工作者，科学知识是女儿的最爱，她每多了解一个新的科学知识，我都能感受到她发自内心的喜悦。古诗词则是我的最爱，那种“思飘云物动，律中鬼神惊”的体验让一个学物理的理科男从另一个视角感受到世界的美好。当诗词遇见科学，当我读给孩子，这世界的“真”“善”与“美”如此和谐地统一了。
书中的科学知识以一个个有趣的问题提出，目的并不在于告诉孩子答案，而是希望引导孩子留心那些与自然有关的细节，记得观察生活、观察自然；引导孩子保持对世界的好奇心，多问几个为什么。兴趣、观察和描述才是这么大孩子的科学教育应该做的。而同时，对古诗词的赏析，则希望孩子们不要从小在心里筑起“文”与“理”之间的高墙，敞开心扉去拥抱一个包括了科学、文化和艺术的完整的世界。
不得不承认，这套书选择小学语文必背的古诗词，多少还是有些功利心在其中。希望在陪伴孩子的同时，也能为孩子的学业助一把力。
最后，与天下的父母共勉：多陪陪孩子，趁着他们还没长大！
静夜思
唐·李白
床 前 明 月 光，
疑 是 地 上 霜。
举 头 望 明 月，
低 头 思 故 乡。
1 疑：好像。
2 举头：抬头。
离开家乡已经很久，夜深人静，我辗转反侧睡不着觉。皎洁的月光泻在窗户纸上，好像地上泛起的一层霜。我禁不住抬起头，打开窗户，朝外望去，我看到一轮皓月高悬天际，不由地低头沉思，想起远方的家乡，或许故乡的人们也在望着这轮明月吧。
撰文| 陈征
地球是个巨大的球体，它在茫茫宇宙中以每小时十万多公里的速度围绕太阳公转。地球上迎着太阳的一面被阳光照亮，形成了白天；而背着太阳的那一面就形成黑夜。地球在公转的同时还在不停自转，于是地球表面上的各个地方白天和黑夜彼此交替，形成了昼夜变换。
这看起来很简单，可是 1823 年，德国天文学家奥伯斯提出一个问题：宇宙中像太阳一样的恒星多得数不清，很多恒星比太阳还要大、还要亮，如果宇宙无限大，存在的时间无限长，恒星也无限多，那么虽然其他恒星距离我们很远，可它们的光加起来应该和太阳差不多；这样的话，夜晚我们看到应该不只是月光，还有像白天一样明亮的星光才对。
事实上，我们的宇宙诞生于 138 亿年前的一次大爆炸，之后飞速膨胀，遥远恒星发出的光要么因为太远还来不及到达地球，要么因为宇宙的膨胀被变成了微波背景辐射。想想看，是不是特别神奇？晚上黑漆漆的夜空，竟然是宇宙诞生于一次大爆炸的证据。
陈征，CCTV-1《加油！向未来》科学实验技术支持、CCTV-1《开学第一课》科学顾问、CCTV-2 《是真的吗？》科学顾问。第21届茅以升北京青年科技奖获得者。光学博士，光学工程博士后；“精彩科学百校行”发起人；青年科学家社会责任联盟理事、副秘书长，北京交通大学物理国家级实验教学示范中心教师；中科创星科普科教研究院首席科学家。