中南大学学科前沿讲座感受

浅谈学科前沿讲座学习感受

学科前沿是指某一学科中最难代表该学科发展趋势制约该学科当前发展的关键性科学问题、难题及相应的学说。我有幸聆听了院里各位教授的学科前沿讲座，八次的讲座使我受益匪浅。教授们从日常生活中的小例子向大家诠释“前沿”的内涵，所谓前沿，就是无论在国内还是国外都没有重复的科学发展事态。同时，他们也结合自身做学术研究过程中的种种经历，以平实而又生动的语言讲述着做学问要付出的各种努力以及要去接触的各种问题。随后，教授们分别向大家介绍了各自目前从事的学科前沿问题，同时强调“做学问需要结合时代的需要，符合时代背景，与国际接轨”，并告诫同学们要注重积累，拓宽专业知识。

虽然仅有八次学科前沿讲座，我被教授们清晰的思路和表达、严密的逻辑和证据、学者应有的良知与责任而折服。讲座中，教授带我们一起回望化学的发展历史，展望化学未来，体会化学给我们带来的种种欢乐与梦想。

在教授们提出的众多学科前沿课题中，我最感兴趣的是：为什么热水比冷水在冰箱中结冰快，因为这一问题贴近生活，我们可以亲自动手验证，如此普通却又高深的难以解释。我对这一问题进行了资料搜集和思考。最早发现这一现象的是中学，1963年的一天，在地处非洲热带的坦桑尼亚一所中学里，一群学生想做一点冰冻食品降温。一个名叫埃拉斯托·姆佩巴的学生在热牛奶里加了糖后，准备放进冰箱里做冰淇淋。他想，如果等热牛奶凉后放入冰箱，那么别的同学将会把冰箱占满，于是就将热牛奶放进了冰箱。过了不久，他打开冰箱一看，令人惊奇的是，自己的那杯冰淇淋已经变成了一杯可口的冰淇淋，而其他同学用冷水做的冰淇淋还没有结冰。姆佩巴把这特殊现象告诉了达累萨拉姆大学的物理学教授奥斯博尔内博士。奥斯博尔内听了姆佩巴的叙述后也感到有点惊奇，但他相信姆佩巴讲的一定是事实。尊重科学的奥斯博尔内又进行了实验，其结果也姆佩巴的叙述完全相符。这就确切地肯定了在低温环境中，热水比冷水结冰快。此后，世界上许多科学杂志载文介绍了这种自然现象，还将这种现象命名为"姆佩巴效应"（Mpemba Effect）。

从物理方面来说，致冷有四种并存的机制：辐射、传导、汽化、对流，通过实验观察，对结果进行比较，发现引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合结果，如果把热水和冷水结冰的过程叙述出来并分析原因就更能说明问题了：盛有4℃冷水的结冰要很长时间，因为水和玻璃都是热的不良导体，液体内部的热量很难依靠传导有效地传递到表面，杯子里的水由于温度下降，体积膨胀，密度变小，集结在表面，所以在水表面处最先结冰，其次是底部和四周，形成了一个密闭的“冰壳”，这时内层的水与空

气隔绝，只能依靠传导和辐射来散热，所以冷却的速率很小，阻止内层水温继续下降的正常进行，另外由于水结冰时体积要膨胀，“冰壳”起着一种抑制作用。盛有100℃热水那一杯冷冻的时间相对来说要少得多，看到的现象是表面的冰层总不能连成冰盖，看不到“冰壳”的现象，沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶（在初温低于12℃时，看不到这种现象）。随着时间的流逝，冰晶由细变粗，这是因为初温高的热水，上层水冷却后密度变大向下流动，形成液体内部的对流，使水分子围绕各自的结晶中心结成冰，初温越高，这种对流越剧烈，能量的损耗也越大。正是这种对流，使上层的水不易结成冰盖，由于热传递和相变潜热，在单位时间内的内能损耗较大，冷却速率较大，当水面温度降到0℃以下并有足够的低温，水面就开始出现冰晶。初温较高的水，生长冰晶的速度较大，这是由于冰盖未形成和对流剧烈的缘故，最后我们观察到冰盖还是形成了，冷却速率变小了一些，但由于水内部冰晶已经生长而且粗大，具有较大的表面能，冰晶的生长速率与单位表面能成正比，所以生长速度仍然要比较初温低的水快得多。

从生物作用方面来看，水要结成冰，水中需要许多结晶的中心，生物实验发现，水中的微生物往往是“结晶中心”。而某些微生物在热水（水温在100℃以下一点）中繁殖比冷水中快，这样一来，热水中的“结晶中心”比冷水中的多得多，加速了热水结冰的协同作用，围绕“结晶中心”生长出子晶，子晶是外延结晶的晶核，对流使各种取向的分子都流过子晶，依靠晶体表面的分子力，抓住合适取向的水分子，外延出分子作有序排列的许多晶粒，悬浮在水中，结晶释放的能量通过对流放出，而各相邻的冰粒又连结成冰，直到水全部结冰为止。

以上是对观察到的现象进行分析，得出的一些结论和提出的一些解释。但要真正解开“姆潘巴问题”的谜，对其作出全面定量的令人满意的结论，还有待进一步探索。

回忆起自己的化学学习史，在初高中时期，接触到物质的定性测定，对于复杂的物质定量分析，浅尝辄止，由于许多的理论虽然成立，却对其意义无从深究，例如：酸碱指示剂的应用：酚酞的变色范围是PH8.0~9.6，在强碱滴定强酸试验中通常采用酚酞作为指示剂，理论计算得化学计量点时PH=7.0（室温），而此值并不在酚酞的变色范围内，为何依然选用酚酞作为指示剂，一起滴定的结果会产生怎样的误差？诸如此类的问题，由于自身缺乏详细而周密的理论知识，学习的主动性不是很强。专业的化学知识是作为一名化学人首先应当具备的，无机化学学习已经让我们对于这门学科深奥的知识内涵和庞大的知识体系有所了解，而接触到有机化学课程学习，足以让我们领会到一名化学人应该持有严谨的治学态度。我对这门课的感触颇深：一套完整的理论体系背后，必然有着一套严密的数学推理过程。分析化学的任务是确定物质的化学组成，测量物质各组成成分的含量及表征物质的化学结构，形态等。

为了完成这些任务，必然需要严格的公式推理，在我看来分析化学与其说是化学学科的一门分支，不如说它是架在化学学科和数学学科之间的一道桥梁。望着满满的数学公式，还有形状各异的曲线，心灵的震撼足以让我产生恐惧——如此多的公式要怎样记忆，即使记住又该怎样用？但是，随着老师的详细授教，我的认识有所改变，虽然有繁多的计算公式，但清晰的推理过程为我们的记忆工作做了很好的铺垫。除此以为，在不同的环境和条件下，数据的微元也使得计算式变得简单，在误差允许的范围内，优化了数据的处理。学习时间虽然短暂，但它将对我以后的化学学习产生很大的影响，尤其是其所需求的严谨的治学态度，会使我们终身受用。

在讲座中，我不仅感受到与世界接轨的浓厚科学氛围，更对本院及自己所在专业——分析化学有了更深的认识。当今世界，分析化学占了很重要的位置，尤其是在目前全球所面临的各个领域中的问题上，都少不了分析化学的作用。食品，环境，新型材料，医用药品，冶金，化工，生物，临床医学等领域，都是分析化学应用非常活跃的地方。所以，分析化学未来的方向可能会影响到这些领域的未来动态。本文在查阅文献的基础上，论述了分析化学未来主要的新方向——环境分析。在环境，食品等方面的问题，我们通过有效的分析方法，可以知道问题的所在，为解决问题带来了根本的帮助。而化学反应方面讲会朝着无害原料、绿色反应条件的方向发展。光化学和电化学分析在环境方面会得到高度的重视。化学发光分析具有测定灵敏度高、线性范围宽、使用仪器简单、分析速度快、易与多种分析技术结合、容易自动化等特点。

另外，化学为人类进步提供了物质基础，对于许多学科分支的发展起了带头作用，但是其地位和作用一直受到忽视。但现在作为化工院的一员，以后将会成为化工人的我认为基础研究是人类文明进步的动力，是科技与经济发展的源泉和后盾，是新技术新发明的先导，也是培养人才的摇篮。基础研究的核心在于创新，而创新就要允许失败，创新是科研的灵魂，而创新又不可能脱离原有研究基础，同时也有不同的模式和水平。

在未来的几十年中，相信化工人将会不断发展壮大，通过分析化学领域的科学方法，对环境污染源分析，从源头上消除污染，合理利用资源和能源，降低生产成本，找到环境问题的解决办法，从而生活在更清洁，更绿色的地球。回顾化学这几十年的飞速发展，给人类带来了许多福音，相信在未来化学定会带给我们更多的惊喜和福祉！