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                綜合新聞

                云游實驗室 看化學神奇——山西煤化所成功舉辦第十八屆公眾科學日!

                發布時間:2022-05-24

                  一年一度的中科院公眾科學日又如約而至了。號稱史上最美化學實驗的“黃金雨”里面有黃金嗎?法老之蛇和烤面包有什么關系?用碳纖維打造的電動車殼可以減重多少?一股碳纖維就可以承重130公斤嗎?5月21日,以“愛科學 向未來”為主題的中國科學院第十八屆公眾科學日活動在中科院旗下各科研單位同步啟動,因為疫情的影響,中科院山西煤化所首次在“嗶哩嗶哩”開通直播,觀眾在鏡頭的帶領下,走進中國科學院山西煤炭化學研究所開放實驗室、線上觀摩科學儀器和科學實驗,聽科學家講解自己的研究領域,領略化學變化的神奇。 

                  科普講座:追求無盡能源、探索新貴材料

                  能源是可以提供有用能量的資源,能量可以互相轉化,但不會消失。韓怡卓研究員題為“多姿多彩的能源”科普講座從傳統能源的應用開始,探討了未來能源的研究,給觀眾打開了全新的視角。 

                  我國一次能源中煤炭占到了57%,其中的70%的煤炭用來發電,煤炭的利用與我們的生活息息相關,我國近年來大力發展可再生能源,其中,太陽能所占能源的比例已經發展到可以與煤炭一較高下的實力??傆幸惶?,化石能源將會用完,未來能源有哪些?可控核聚變就是一個研究方向,它使用氫同位素作為原料,原料無窮無盡,自然界中的核聚變唯有太陽產生光和熱的過程,它可以釋放大量的能量,中科院合肥物質研究院利用托卡馬克原理,建造了全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST),2021年實現了1056秒的長脈沖高參數等離子體運行,又創造了一個世界之最。 

                  韓怡卓表示,除此之外,還有戴森球等利用恒星太陽能源的設想,距離我們太過遙遠。目前,我們需要加大能源轉化效率的研究,這才是對能源最大的節約。 

                  

                  宋燕研究員講座“神奇的炭——炭材料改變生活”介紹了生活中無處不在又性能優異的炭材料。所謂炭材料就是以碳元素為主體的材料。金剛石、石墨、活性炭、富勒烯、碳納米管、石墨烯、碳纖維……從經典材料到材料界新貴,講座內容涵蓋了幾乎所有主流炭材料制備和應用。 

                  炭材料中的活性炭具有發達的孔隙結構,可以用于吸附、分離、脫色。高端的活性炭甚至可以用于腎病治療的血液灌流器、甚至口服的藥物。宋燕研究員表示,喝酒前吃點可食用活性炭,可以減少酒精對身體的損害。 

                  碳纖維顧名思義纖維狀的碳,強度在普通鋼材的六倍以上,密度為普通鋼材的四分之一,典型的高強輕質材料。宋燕研究員將它的制作過程噴絲、凝固比作家用面條。 

                  針對石墨烯等明星材料的出現,任正非曾預言,未來十到二十年將會爆發一場技術革命,這個時代最大改變就是石墨烯時代取代硅時代。宋燕認為,十九世紀是鐵器時代,二十世紀是硅時代,隨著更高性能碳纖維的制備,石墨烯功能的拓展以及全新功能炭材料的發現,二十一世紀必將是炭材料的時代。 

                  科學實驗:化學反應中的視覺盛宴 

                  “學好數理化,走遍天下都不怕,不學數理化,生活處處是魔法?!遍_場白后,博士生高龍飛為觀眾準備了5個新穎的科學實驗。  

                  高龍飛面對鏡頭點燃了酒精、糖、蘇打的混合物,沙土里“長”出了扭曲的身軀,“泡沫”般的材質節節拔高、攀爬到了桌子上,散發一股焦糖的味道。實驗助手博士生袁宗帥介紹了實驗原理:燃燒過程生成的二氧化碳是材料蓬松的關鍵,與家庭中的烤面包的原理相同。

                     

                  “水中花園”實驗是在小燒杯中溶入硅酸鈉,再依次加入硫酸銅、氯化鈣、三氯化鐵,金屬離子和硅酸根發生化學反應,在固液兩相界面形成了半透膜,因為滲透壓的原因,水漲破了半透膜,露出的新的金屬離子和硅酸根繼續反應生成新的半透膜,經過不斷的漲破和反應,形成了“水中花園”這一副奇景。   

                  碘化鉀倒入硝酸鉛,兩瓶透明液體的碰撞產生了鮮艷的黃色乳狀液體,經過加熱過濾,生成了閃閃發亮的晶片,在旋轉的液體中,碘化鉛晶體猶如緩緩下落的金粉向杯底沉淀,這就是實驗“黃金雨”。為了準備這個號稱“化學史上最美實驗”之一的“黃金雨”,高龍飛查閱了很多資料,從實驗室里找到硝酸鉛、碘化鉀等化學試劑。高龍飛表示:“今年的實驗和往年不同,我們還將探索更多新奇有趣的實驗,待疫情退散后,歡迎小朋友們前來參觀?!?/span> 

                  科研儀器:洞幽燭遠好助手 

                  科研儀器是科學家最值得信賴的幫手。山西煤化所公共技術服務中心擁有儀器設備40余臺套,總值約6000萬元,它們可以測成分、拍照片,觀測尺度小至數納米。 

                  核磁共振波譜儀的工作原理和普通核磁一樣,主要用于分析物質結構,進行物質鑒定,同時可用于探究分子間相互作用及反應機理。山西煤化所持續跟蹤學習國內外最新測試脈沖方法,深度開發了該儀器的功能,創建了以液體核磁為主要研究手段的均相催化研究方法。


                  普通的光學顯微鏡可以放大物質1000倍,而高分辨率掃描電鏡可以放大十萬倍以上,它和平插能譜儀的聯用更是將物質的表面形貌—微區分析帶入了新境界。它們可以實現任何樣品超高空間分辨率(0.6 nm)觀察和分析,從而獲得非凡的形貌及元素面分布圖像,即使小至新冠病毒也不在話下。 

                  性能更強大的俄歇電子能譜儀分析元素范圍廣,可定性、半定量分析除HHe以外的所有元素;分析深度極淺,能提供固體樣品表面3-10原子單層(0.4-6 nm)的成分信息,它是山西省內乃至周邊河北、陜西等地區(除北京地區)唯一的此類型儀器。儀器主管葛琳介紹道:“如果想分析物質表層以下,可以通過氬離子槍刻蝕物質表面,由表及里一層層分析組織結構組成,每分鐘剝離材料的厚度最薄可以達到4納米?!?/span>


                  實驗室:立足于解決現實難題 

                  “灰化學研究已經成為了我們課題組的一大特色?!泵夯瘜W和灰化學課題組孔令學副研究員介紹了煤炭中無機物-煤灰的流動性對工業應用的影響,他們在高溫旋轉黏度計里把煤灰加熱到1600℃以上,形成巖漿狀的液體,冷卻后可以看到內含閃爍晶體的灰渣。隨著科技的進步,氣化爐中發生的化學反應溫度環境越來越高,氣化爐底部的灰渣普遍采用液態排渣的方法排出,關于它的研究非常重要。流動性太好,灰渣會腐蝕爐壁,流動性太差,就會導致堵渣,嚴重時甚至發生爆炸?!拔覀冄芯康木褪切枰o煤炭添加合適比例的助劑,改善煤灰的流動性,保證氣化爐的穩定運行”。 

                  跟隨科學家的腳步,可以邊走邊看科學家最常用的設備,看他們如何運用科學儀器解決科學問題。 

                  “我們的工作之一就是脫除煙氣中的二氧化硫和氮氧化物,通過儀器把各種工業廢氣混合起來,模擬了工廠真實情況,把二氧化硫等有害氣體資源化利用起來,生產硫化物,讓氮氧化物和氨氣反應,生成了無害的氮氣?!蹦闷鹦螒B各異的催化劑,309課題組曾澤泉副研究員逐一介紹了其功能和應用,“我們已經在500萬立方米每小時的工業廢氣處理場景中應用了我們開發的催化劑產品?!?/span> 

                  優異的產品是科學技術進步最好的注腳。一臺全炭(碳纖維復合材料)車身的新能源車悠然的行駛在研究所大院內,中科院炭材料重點實驗室的碳纖維產品在羽毛球拍、自行車上有了實物展品,碳纖維車身電動汽車也加入此行列。據介紹,該車身比原車型減輕60KG,在電池續航里程緊張的情況下,輕便且性能優異的碳纖維材料也進入整車制造廠商的視野。 

                 


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