有趣的分子科学

物质世界由分子组成，人也是，从来到世间的那一刻起，我们就成为这个世界的一部分，并且每时每刻都在和周围的分子发生着能量和物质的交换。分子虽小，功能却不小，它们关系到人们的生老病死，并且构成了我们吃、穿、住、用、行的基础。这句话虽然说起来容易，但对于一般没有学科背景的人来说，要真正理解还是有些难度的。希望看完这篇关于分子的科普文章，你会对这个世界有新的认识。

分子是组成世界的基本单元

如果问大家，组成房子的基本单元是什么?大家可能会说，那要取决于所说的房子是什么结构，可能是木头、砖头或者预制钢筋混凝土。这些答案都没错，但你要说是砖头里的沙粒或者是混凝土里的石子或钢筋，那么这些就不是基本单元了。同样的道理，组成物质的分子还能进一步分割成原子，原子还能分割成原子核和电子，原子核还由夸克组成，但是直接组成物质的基本单元就是分子。

当你喝下一口水，你猜大约有多少水分子被喝进肚子里?一万?一百万?一百亿?这些数字都太小，应该是1后面24个零左右。事实上，只要是肉眼能够看到的物质，所含有的分子基本上都是这个量级的。

宇宙中只有100多种原子，常见的也就十几种，但这些原子能够以不同的方式结合，组成种类繁多的分子。就好比常用的3000个汉字能够组成句子的数量，恐怕没人知道。不同种类的分子都有自己独特的形状，就好像每个句子都有不同的含义。借助先进的科学仪器，科学家们已经能够“看到”的单个分子中有线条形的、树枝状的、平面的、三维的，你能够想到的应有尽有。不仅如此，小一点的分子可能只有一两个原子构成(例如氧气分子);大的分子，例如遗传物质DNA，由上千亿个原子构成。

分子最重要功能是填充空间

任何两个或者多个分子靠近的时候都有吸引力，这种吸引力比万有引力更强。如果这种吸引力比较小，分子就以单个的状态游离在环境中，这就是物质三态中的“气态”;如果吸引力比较大，分子聚集起来，就形成了“液态”;如果吸引力足够大，聚集起来连动都不能动，那就是“固态”了。同样的道理，物质其他的属性，包括导电、导热、反光等，也都是分子的集体属性。

事实上，物质的所有功能都是通过分子实现的，但其最重要的功能还是填充空间。我们的宇宙有个重要法则，那就是有质量的东西不能占据相同的空间，简单来说就是不能重叠。所以当分子非常接近，近到分子之间要去“抢夺”同一个地盘的时候，它们之间就会产生强大的排斥力。结果就是，你走路的时候不会“掉进”地底下，我们拥抱的时候也不会穿过彼此的身体。

除了给予物质存在的空间，分子还是能量的载体，一个分子能否为我们提供能量，秘密在于分子中电子到原子核的远近。分子在发生化学反应的时候，会从一种分子变成另一种分子，其中电子离原子核的远近也会发生变化，带负电的电子在靠近带正电的原子核过程中就会放出能量。例如，葡萄糖分子在身体中变成二氧化碳分子，电子相对原子核的平均距离就会变近，放出的能量一部分用于制造新的分子，另一部分以热的形式保持我们的体温。

分子还是信号的载体。当我们的身体发现病毒和病菌的时候，就会释放出一些能够“报警”的分子，它们能够进入循环系统到身体的各个地方，并且触发一系列化学反应，导致身体出现发热、红肿等症状，我们就会凭借经验或者现代医学知识采取相应的措施(如吃药、打针等)来对抗病原体。不论如何，这些分子至少让我们知道自己生病了，要好好休息，有足够的能量抵抗疾病。除此之外，自然界中还有很多动植物都会释放出可以随风扩散的分子，告知彼此的存在和状态，这些分子被称为“信息素”。

引导孩子走进奇妙分子世界

为了更好地科普分子科学，我们做了大量的工作，如开设科普公众号、做讲座、建QQ讨论群等等。此外，我们还编写了一套关于分子的科普绘本--《有趣的分子科学》。

这套丛书为“十三五”国家重点图书出版规划项目，由我和青年画家李进合作完成，包括《居家生活中的分子奥秘》《大自然中的分子奥秘》《药中的分子奥秘》《身体中的分子奥秘》《旅行物品中的分子奥秘》等5册。书中配置了以展现中国特有的家庭和社会场景且具有艺术画风的配图，形成了独具一格、展现科学和艺术之美的优秀作品。

这套丛书用简明的文字、有趣的插图，将我们日常生活中遇到的、普遍关心的问题，如睡前为什么要喝一杯牛奶，为什么要勤洗澡勤刷牙，为什么要多运动等问题，用分子科学的相关知识进行了科学的阐述。通过这套丛书，希望家长和孩子们在轻松愉快的亲子阅读中，能够掌握基本的分子科学知识，使得父母可以将其中的科学道理运用到生活中去，为孩子健康快乐的成长保驾护航。更希望这套书能够唤起孩子们的好奇心，让孩子们从小就能在科学的天空自由翱翔。(张国庆)(作者系中国科学技术大学教授)

文章来源：《分子科学学报》 网址: http://www.fzkxxbzz.cn/zonghexinwen/2020/1029/394.html