科普讲座：追求无尽能源、探索新贵材料

　　能源是可以提供有用能量的资源，能量可以互相转化，但不会消失。韩怡卓研究员题为“多姿多彩的能源”科普讲座从传统能源的应用开始，探讨了未来能源的研究，给观众打开了全新的视角。 

　　我国一次能源中煤炭占到了57%，其中的70%的煤炭用来发电，煤炭的利用与我们的生活息息相关，我国近年来大力发展可再生能源，其中，太阳能所占能源的比例已经发展到可以与煤炭一较高下的实力。总有一天，化石能源将会用完，未来能源有哪些？可控核聚变就是一个研究方向，它使用氢同位素作为原料，原料无穷无尽，自然界中的核聚变唯有太阳产生光和热的过程，它可以释放大量的能量，中科院合肥物质研究院利用托卡马克原理，建造了全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），2021年实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，又创造了一个世界之最。 

　　韩怡卓表示，除此之外，还有戴森球等利用恒星太阳能源的设想，距离我们太过遥远。目前，我们需要加大能源转化效率的研究，这才是对能源最大的节约。 

    宋燕研究员讲座“神奇的炭——炭材料改变生活”介绍了生活中无处不在又性能优异的炭材料。所谓炭材料就是以碳元素为主体的材料。金刚石、石墨、活性炭、富勒烯、碳纳米管、石墨烯、碳纤维……从经典材料到材料界新贵，讲座内容涵盖了几乎所有主流炭材料制备和应用。 

　　炭材料中的活性炭具有发达的孔隙结构，可以用于吸附、分离、脱色。高端的活性炭甚至可以用于肾病治疗的血液灌流器、甚至口服的药物。宋燕研究员表示，喝酒前吃点可食用活性炭，可以减少酒精对身体的损害。 

　　碳纤维顾名思义纤维状的碳，强度在普通钢材的六倍以上，密度为普通钢材的四分之一，典型的高强轻质材料。宋燕研究员将它的制作过程喷丝、凝固比作家用面条。 

　　针对石墨烯等明星材料的出现，任正非曾预言，未来十到二十年将会爆发一场技术革命，这个时代最大改变就是石墨烯时代取代硅时代。宋燕认为，十九世纪是铁器时代，二十世纪是硅时代，随着更高性能碳纤维的制备，石墨烯功能的拓展以及全新功能炭材料的发现，二十一世纪必将是炭材料的时代。 

　　科学实验：化学反应中的视觉盛宴 

　　“学好数理化，走遍天下都不怕，不学数理化，生活处处是魔法。”开场白后，博士生高龙飞为观众准备了5个新颖的科学实验。  

　　高龙飞面对镜头点燃了酒精、糖、苏打的混合物，沙土里“长”出了扭曲的身躯，“泡沫”般的材质节节拔高、攀爬到了桌子上，散发一股焦糖的味道。实验助手博士生袁宗帅介绍了实验原理：燃烧过程生成的二氧化碳是材料蓬松的关键，与家庭中的烤面包的原理相同。

　　“水中花园”实验是在小烧杯中溶入硅酸钠，再依次加入硫酸铜、氯化钙、三氯化铁，金属离子和硅酸根发生化学反应，在固液两相界面形成了半透膜，因为渗透压的原因，水涨破了半透膜，露出的新的金属离子和硅酸根继续反应生成新的半透膜，经过不断的涨破和反应，形成了“水中花园”这一副奇景。　  

　　碘化钾倒入硝酸铅，两瓶透明液体的碰撞产生了鲜艳的黄色乳状液体，经过加热过滤，生成了闪闪发亮的晶片，在旋转的液体中，碘化铅晶体犹如缓缓下落的金粉向杯底沉淀，这就是实验“黄金雨”。为了准备这个号称“化学史上最美实验”之一的“黄金雨”，高龙飞查阅了很多资料，从实验室里找到硝酸铅、碘化钾等化学试剂。高龙飞表示：“今年的实验和往年不同，我们还将探索更多新奇有趣的实验，待疫情退散后，欢迎小朋友们前来参观。” 

　　科研仪器：洞幽烛远好助手 

　　科研仪器是科学家最值得信赖的帮手。山西煤化所公共技术服务中心拥有仪器设备40余台套，总值约6000万元，它们可以测成分、拍照片，观测尺度小至数纳米。 

　　核磁共振波谱仪的工作原理和普通核磁一样，主要用于分析物质结构，进行物质鉴定，同时可用于探究分子间相互作用及反应机理。山西煤化所持续跟踪学习国内外最新测试脉冲方法，深度开发了该仪器的功能，创建了以液体核磁为主要研究手段的均相催化研究方法。

　　普通的光学显微镜可以放大物质1000倍，而高分辨率扫描电镜可以放大十万倍以上，它和平插能谱仪的联用更是将物质的表面形貌—微区分析带入了新境界。它们可以实现任何样品超高空间分辨率（0.6 nm）观察和分析，从而获得非凡的形貌及元素面分布图像，即使小至新冠病毒也不在话下。 

　　性能更强大的俄歇电子能谱仪分析元素范围广，可定性、半定量分析除H和He以外的所有元素；分析深度极浅，能提供固体样品表面3-10原子单层（0.4-6 nm）的成分信息，它是山西省内乃至周边河北、陕西等地区（除北京地区）唯一的此类型仪器。仪器主管葛琳介绍道：“如果想分析物质表层以下，可以通过氩离子枪刻蚀物质表面，由表及里一层层分析组织结构组成，每分钟剥离材料的厚度最薄可以达到4纳米。”

　　实验室：立足于解决现实难题 

　　“灰化学研究已经成为了我们课题组的一大特色。”煤化学和灰化学课题组孔令学副研究员介绍了煤炭中无机物-煤灰的流动性对工业应用的影响，他们在高温旋转黏度计里把煤灰加热到1600℃以上，形成岩浆状的液体，冷却后可以看到内含闪烁晶体的灰渣。随着科技的进步，气化炉中发生的化学反应温度环境越来越高，气化炉底部的灰渣普遍采用液态排渣的方法排出，关于它的研究非常重要。流动性太好，灰渣会腐蚀炉壁，流动性太差，就会导致堵渣，严重时甚至发生爆炸。“我们研究的就是需要给煤炭添加合适比例的助剂，改善煤灰的流动性，保证气化炉的稳定运行”。 

　　跟随科学家的脚步，可以边走边看科学家最常用的设备，看他们如何运用科学仪器解决科学问题。 

　　“我们的工作之一就是脱除烟气中的二氧化硫和氮氧化物，通过仪器把各种工业废气混合起来，模拟了工厂真实情况，把二氧化硫等有害气体资源化利用起来，生产硫化物，让氮氧化物和氨气反应，生成了无害的氮气。”拿起形态各异的催化剂，309课题组曾泽泉副研究员逐一介绍了其功能和应用，“我们已经在500万立方米每小时的工业废气处理场景中应用了我们开发的催化剂产品。” 

　　优异的产品是科学技术进步最好的注脚。一台全炭（碳纤维复合材料）车身的新能源车悠然的行驶在研究所大院内，中科院炭材料重点实验室的碳纤维产品在羽毛球拍、自行车上有了实物展品，碳纤维车身电动汽车也加入此行列。据介绍，该车身比原车型减轻60KG，在电池续航里程紧张的情况下，轻便且性能优异的碳纤维材料也进入整车制造厂商的视野。