化学专业学生学习电子知识的必要性

Journal of Chemical Education上刊登了一篇文章,介绍了一门给化学专业学生开设的微控制器应用课程。建议大家看看。

今时今日化学和材料学实验研究手段已经几乎100%电子化了。很多年前,在实验室做实验,各种测量是通过肉眼读刻度的。测量仪器的设计就是如何通过机械和光学上的设计,把待测量转化成可以通过刻度来读的信号。例如温度计就是通过热胀冷缩原理,把温度转化为体积变化,通过刻度来读数;机械分析天平通过机械和光路来放大微小的位移,也是打在一个刻度上。哪怕不是通过刻度,也很大程度上通过人眼辨别,例如阿贝折光仪。今时今日,没有什么量是不能通过传感器转化为电信号的了,所有测量都变成了测电流和测电压。我们直接看到的是显示在荧光屏上的读数。很多年前,要完成一个准确和精确的测量,我们要做的工序非常繁杂,每一步都必须十分仔细严格。例如,粘度法测分子量、密度瓶法测密度。但是在今天,也是拜传感器和电子技术所赐,很多仪器都能非常好地恒定或控制几乎所有物理量,免去了使用者的麻烦。所以,今天的研究生,无论是测量操作还是读数,都已经十分傻瓜;仪器商也是尽量把仪器做成这样,目标就是让用户一按按钮就出结果。

这种时代潮流,是不可逆转的。实验课的应有的意义已经不存在了。在刻度时代,实验课上一个实验的步骤本身就能够起到培养作用;现在必须另外开一门课去培养。很多人甚至还意识不到,进入了电子仪器时代之后,学生缺了的到底是哪方面的培养。也许在本科实验课,由于教学经费有限,学生学习的还是刻度时代的实验操作,不断地被强调“平视”、“估读”等肉眼使用技巧。可是当学生本科毕业,进入真正的科研实验室工作的时候,面对的是一部部具有fancy的ABS外壳和炫酷控制面板的仪器。之前实验课所培养的注意事项似乎跟这一现实是完全不相关,学生实际上是要重新建立实验测量原则。而在这一阶段,研究生往往没有机会重新受这方面的教育,而是在仪器商设计的傻瓜面版和Quick Starting Guide指导下变成一个傻瓜机用户。

我想列举一下哪些基本知识是必要的,但也未必全面。

首先,一些基本原则是一贯的。本科的普通物理实验课头两节课都不是具体实验,而是在课堂上介绍误差、准确度、精确度等概念,包括有效数字的四则运算等。这些原则,在刻度时代,学生可以在具体实验操作中体会,因为那个时代一个测量工具的精确度已经体现在刻度上了,学生得不出更多位有效数字,而且学生必须亲自把每次测量结果记录下来,列表,手算统计出均值和方差,对于准确度和有效数字的运算的印象可以被加深。可是在电子仪器的时代,学生失去了这种在实践中体会精神的机会。仪器可以给出计算机能够支持的任何浮点数,学生如果没有有效数字的概念,就会照抄仪器读数,所以这些基本原则是需要再次强调的。

我本科时代的普通物理实验笔记
我本科时代的普通物理实验笔记

其次,电子仪器的出现,一些老的问题已经不成问题了。例如,由于读数是直接显示在屏幕上的,所以就消除了人用肉眼读刻度带来的误差,两个同学读同一个读数,就不会受不同人的“眼神儿”差异的影响。甚至,在电子仪器时代盲人也可以读数。但电子仪器也带来新的问题,这就是信号处理的问题。分辨率、取样率、信噪比、模数转换、Nyquist频率等概念和原理变成了最起码的常识,但化学专业的学生不要说没有学这门课的机会,甚至不知道这些知识的存在。

再次,从刻度时代到电子时代的传换,一些物理量的测量基本原理其实并没有变,但是条件控制内置在了仪器内部,学生不用自己去担心诸如恒温、恒湿、恒容等问题,也不清楚仪器在这些问题上是否达到了要求。学生甚至不知道原来需要这些控制条件;而有一些物理量的测量原理变了,例如测密度,以前是用密度瓶、密度计,电子化之后是U型管振荡法,这些新的原理也需要学生去学习。总之在电子仪器的时代,只有对仪器的测量原理十分清楚,才能做好测量实验。但是现在的仪器所附的说明书往往不介绍或者只是简要介绍仪器的测量原理。要求仪器说明书达到理想的要求又很难。因为仪器的测量原理,往往涉及到至少以下几方面的内容:1. 学生不熟悉的物理效应,这往往本身就是大量的研究论文的知识储备,例如,有一种新仪器通过NMR弛豫测量胶溶剂分子状态识别处于胶体粒子表面的溶剂分子,得出其数量,从而计算胶体的比表面积。这一仪器的局限在什么地方?是不是什么样品都能测?哪怕我拿一个不三不四的样品放进去,仪器反正也能出个电流电压,不会没有读数,那到底可不可信?不仔细翻阅相关的原始论文去研判仪器的测量原理,是无法回答这一问题的。回答不了这一问题,这一仪器也就无法使用。可是仪器商来推销这一仪器,当然是无法好像原始论文的作者那样跟你讨论交流(他们甚至对自己仪器的认识还不如你凭你物理知识所估计出来的那样深)。他们推销的重点往往就是仪器的快速和易用性。这种推销思路,只能针对那些只出数据交差的研究生,忽悠不了导师们。2. 电子电路知识,一个现代测量仪器的设计,除了核心的物理机制之外,肯定最终要把信号进行处理和以一定的形式(电流?电压?)输出。这也是化学专业的学生不具备的知识。甚至说,有些核心元件需要保护,在使用时注意什么问题,学生也是一无所知。这种知识,一要解释,免不了涉及这一元件的构成和工作原理。例如,同样是测密度,学生在本科实验室的时候,好容易搞懂为什么密度瓶要这样设计,平时要怎么保护密度瓶,测量的时候要避免什么情况。到了实验室测试原理变成了U形管,该注意的问题,完全不一样了。

最后,也是更高的要求,就是还需要知道一些微机原理、一些机械设计原理、一些光学原理,懂得用微控制器DIY简单的测量设备。在研究中,要证实原创性的想法,往往需要的测量是没有现成仪器的。要测什么东西,自己DIY,应该是一种常态。可是中国的研究生思考课题的时候,往往是站在已有商用仪器的能力基础上去想的。甚至很多研究生只懂一个仪器,他想的就是这个仪器能测什么,我就研究什么。如果你叫一个化学专业的学生自己想办法把一个什么东西测出来,他甚至不知道有微控制器这种东西能够帮到他。有些测量需要一些简单的机械,学生也不知如何实现。更不用说很多测量是利用光学原理来实现的了,学生搭不了光路。你如果不开课,叫学生自学,他们会以为这是一个不可能的任务,以为你是叫他们把自动化专业、机械专业和光学专业的本科重新再读一遍。事实上这些能力是只要学过普通物理学就能上手的。开一门课,也未必需要把所有涉及到的能力都培养一遍。既然已经是研究生了,课程内容完全可以挂一漏万,关键只要传达一个信息,让学生对这些不熟悉而又十分重要的知识和技能改观,建立一种自信,从心理上把这些纳入自己该懂、能懂的知识范围,然后发挥研究生应有的自学能力补全知识即可。

ResearchGate给人的感觉

Nature杂志有一篇News Feature是讲科学家使用社交网络的,其中插入了一个调查结果。其中一个受访者描述ResearchGate的话道出了真相,估计中枪无数,又能令凡是使用ResearchGate的人忍俊不禁:

“Mainly, a source of stress every time an e-​​mail pops in show­ing that my colleagues/​competitors are pub­lish­ing more than myself.” — AGE 35–44, PROFESSOR, BRAZIL

关于中国网络审查的研究

Mara Hvistendahl是一个自由撰稿人,她本人也常驻上海,去年刚刚获得普利策奖。我看过好几篇她写的关于中国的报道,那种外国记者常见的对中国事务的一知半解在她的文章里出现得较少,也许是她长住中国的缘故。最近在Science杂志上的一篇文章介绍了一个对中国网络审查的研究。这个研究通过搜集和亲测统计到底什么帖子才会被删。其结果其实对于我来说也并不新奇:敏感的其实不是批评,而是集体行动。

换成了Twenty Fifteen主题

前几天刚修改过“关于”页面,现在我又换了博客主题。

关于博客主题的话题我已经聊过很多了。总之,我的博客经常是图少字多,我也喜欢全是字的版面,所以喜欢突出文字的主题。我使用最长时间的Menifest主题,就是这样的代表。我还花了很多心思去修改Menifest,让它变得适合中文排版习惯。但是Manifest主题毕竟是停止更新的,落后于WordPress的很多新功能,所以我也尝试换过WordPress官方的Twenty X系列。Twenty Thirteen很快就弃用了,因为它巨大的header image把屏幕就先挡了一大半,然后文章的标题行的前后空白区域也很大,正文只能显示开头的一点,而且段落宽度很窄,没几个字就要换行。Twenty Eleven和Twenty Fourteen我也都用了一阵子,可是我还是觉得,中文的宋体不适合配sans类的英文字体。我甚至就不喜欢sans字体。而且Twenty Fourteen正文段落也很窄。所有这些主题的一个共同的毛病就是,中文字符间距太密。因为按照英语的习惯,一般只条“word spacing”,也就是说调空格。中文字距只能调letter spacing,而这又会影响英语。所以在我修改的Manifest主题里,我是通过一个插件来区分中文和英语的处理方法,把中文字距调宽了,又不影响英文单词的字母间距,阅读起来就比较舒服。改这些属性是很花时间的,Twenty X主题还没有让我觉得值得为它再花时间改一次,所以我又换回了Manifest。

以上这些在Twenty Fifteen中得到了改善。首先Twenty Fifteen中的中文字大且清晰,字距虽然没有你我在Manifest中调得这么大,但也是比较舒适。而且英文字体采用的是我本来在Manifest里就采用的Noto Serif,这已经解决了很大的问题了。而且Twenty Fifteen的文字阅读区占比也比较大,还是比较注重文字的。总之比较满意,所以换过来试试。

Twenty Fifteen的header image是在左边的,我也整了一个不三不四的图片作为header image,提醒读者这只是个个人娱乐休闲博客,不要把写在这里的文字当回事。

使用了与时俱进的主题之后第一个可以使用的新功能就是­Word­Press的post type。这个功能其实早就有了,但必须主题支持。可是本博客这么多年下来这么多文章,都没有设置post type,所以这也只能是从今往后开始了。

一篇高分子结构流变学综述

我对高分子结构流变学关注得少,因为自己不做。我刚学习流变学的时候接触过一些比较经典的模型。但是后来以T. McLeish为代表的新模型,我了解得很少,最新的发展也不了解。McLeish发表过一篇Science,是关于支化聚合物的结构流变学。那篇报道已经说明现在聚合物流变学对支化高分子已经比较成功了,而我的知识还只是停留在Pom-Pom模型。最近遇到一篇综述(D. J. Read, J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys., 2015, 53, 123–141),能够适合我赶上形势。这篇综述主旨是想既介绍支化聚合物的工业合成,又介绍支化聚合物的结构流变学。我觉得有用的是后者,梳理了从Rouse,到缠结,再到支化的一个发展过程。其实,我的心理就是既没有精力亲自总结提炼,又想达到能故事性地吹嘘一番的程度。这种简单梳理我就最欢迎了。

现在根本没有像以前那么多时间来写博客。很多时候,我是有很多想法想记录下来,但是一旦要变成文字的话,又不能信口开河,总要先确认必要的事实。往往是这个阻碍了我真正写点什么。想法如果只停留在想法,总是觉得很独特,很沾沾自喜;但若是要写出来,那一些前提是否成立都要先确认一遍,这又嫌麻烦。

例如,我想说,结构流变学的综述比较少。那是不是比较少呢?我说这话的时候,都没上ISI搜索过,只是“想必是少的吧”,于是就没法往下说了。

只能说,我在长期不关注、不搜索的情况下所知道的综述,最近的,除了现在介绍的这一篇之外,就是Larson发表在J. Rheol. 2005, 49, 1–70的大作,是专门关于聚合物溶液流变学的。

我想,博客还是保持一定的频次,但是渐渐的也要“微博化”。既然难以一一论述,只能随口说说,那也无谓长篇大论了。

关于jamming、quenching和aging的几个认识

本博客要想看到LaTeX公式必须翻墙,渲染服务器被墙了。

Jamming相图有两种版本。一种是Nagel and Liu最初提出的版本,有T,\phi^{-1}\Sigma三个坐标轴,适用于作用势以排斥为主(甚至就是纯的硬球排斥)的体系。如果不考虑热胀冷缩,温度变化是不改变势能变化的。改变温度只改变体系的平均动态(dynamics),温度降低到一定程度体系发生dynamic arrest,这是玻璃化转变的图象。另一种是Trappe et al.提出的版本(Nature 411:772),考虑有短程引力势的体系,温度轴改成了k_\text{B}T/U,这里的U是引力势阱的深度。这时情况就多了,我一点点地说。

首先,这个描述吸引体系的jamming相图,定性上与原版的排斥体系的是一样的,降低约化温度kBT/​U同样导致体系的冻结。要实验验证这一问题,很多研究者是通过改变U,即引力势阱深度,而保持温度T不变。这时结果很直接,引力增加会导致体系更容易进入凝胶态而冻结,用jamming相图语言就是使得约化温度降低了,体系更可能jamming。但如果改变T,就不得保持U恒定了。因为几乎所有的相互作用势都是依赖温度的。完整地说,一个相互作用势V(r)应该是温度T和其他参数fi的函数V\left(r;T,f_i\right)。 你可以调节温度以外的其他参数来实现改变作用势而保持温度不变,但却不能只改变温度而不改变作用势。至于改变温度会怎么影响作用势,就要看具体作用势的种类。做模拟的人常常直接用约化作用势V\left(r\right)/k_\text{B}T,例如Baxter’s势、LJ势、HCAY势等,约化后作用势就是一个T–independent的约化量。因此做模拟的人实际不去区分到底是变T还是变势阱深度(Baxter势的τ或LJ势的ε)。实际的实验体系,主要有两个经典的,一个是silica粒子表面接上了octadecanol的体系,其短程引力随温度降低而增加;另一个是Asakura-Oosawa的depletion force体系,AO势的强弱也是随温度降低而增加的。所以,这常见的两种经典体系,约化温度k_\text{B}T/U的变化跟T是同步的,不影响jamming相图的适用性。但这是一种巧合。会不会有一种短程引力作用势的机制,降底温度会降底引力强度呢?甚至有没有一种作用势的强度随温度的变化并非简单单调的呢?这时,改变温度对约化温度的k_\text{B}T/U的影响就并不是显而易见的了,必须把TU的影响也考虑进来,一切都在约化量k_\text{B}T/U上面讨论。可是从已有文献中看,无论是模拟的工作还是实验工作,都没有考虑这种情况,也许大家还没有遇上这样的作用势。我目前的做实验中有这种情况,正在投稿中。

其次,无论哪个版本的相图,其(约化)温度轴的意图都是,降低(约化)温度有利于体系的冻结。那么,世界上有没有反例,即提高(约化)温度有利于冻结的体系?我们分开两个版本的jamming相图来讨论。对于排斥势驱动jamming的情况,讨论的是温度T。我们很容易想到温敏性的PNIPAM微凝胶体系的实验结果。巧得很,这种微凝胶是降温(而不是升温)导致的体积分数增大(变相增加了排斥势)而发生jamming。那么,是否有另一种温敏性的微凝胶,是升温促进溶胀的呢?我记得有这样的高分子凝胶。当然,这种温度响应性微凝胶体系能不能直接应用于jamming相图还是有疑问的,因为在这个体系里面,jamming的两个坐标轴的量Tφ是coupled的,不能单独控制其中一个。我去年发表过一篇文章讲到这个问题。如果不谈这种微凝胶,只局限在简单的硬球体系,那确实很难想象有什么升温促进冻结的柯能。排斥势的jamming相图暂时可认为是普适的。现在轮到吸引势的jamming相图,要讨论约化温度k_\text{B}T/U。模拟常用的Baxter、LJ、HCAY等是直接调节这个约化量的,已有大量相图的模拟结果,对于不太稀的粒子密度,降低约化温度基本上都是向某种arrest state靠近(例如arrested phase sep­a­ra­tion或at­trac­tive glass)。经典实验体系(silica-octadecanol和AO depletion)的约化温度受TU的影响又恰巧十分简单(提高引力U降低约化温度,降低T会提高引力U,更加降低约化温度),因此也符合Jamming相图。但有没有一种体系,提高T会提高引力U?这时约化温度到底随温度降还是升是不一定的。存不存在这样的区间,就是升高T提高了U,最后的约化温度还是升高的,但由于引力U增大,体系对U的增大更敏感,尽管T增大了但仍然更易冻结(造成了约化温度升高反而冻结的事实,违反jamming相图)?或者简单地说,当作用势V(r)和温度T有着较复杂的依赖关系时,体系在走现quenching的过程中,会不会不止经历一次jamming?

第三,按照 Jamming相图的意图,(约化)温度降底导至冻结,这是只能局限于某种类似平衡态(或者说处于local的平衡态)的体系的。假如体系正在aging的过程中,jamming相图是不适用的。我们还是讨论(约化)温度这条轴。在jamming相图中,(约化)温度越低,表示体系淬火(quenching)程度越深。对于非零温的体系(T>0),quench到玻璃化温度以下之后体系是会aging的。但是aging rate跟depth of quenching没有单调的关系。这个实验很少有人报导,但最早提出aging概念的Struik在他1978年的书中就给出了无定形高分子的实验结果,显示aging rate对depth of quenching的非单调的依赖性。Quench得太深或太浅,aging都慢;极深的体系是不aging的(体系根本动不了),极浅浅到一定程度就是没quench下去,那当然也不aging,所以只有“适中”深度的quenching有明显的aging,aging rate最高。对于排斥势的jamming相图而言,在T>0的jamming区,基本就是aging的体系,而aging是永远没有尽头的。这时,温度T其实就有着两方面意义,一是表征体系的depth of quench­ing,Tg-T;二是赋予体系当前的活动能力或者说平均的dynamics。根据前面说aging rate跟depth of quench没有单调关系,那也就是说,在某一个depth of quenching(既温度T),即可能ag­ing rate随T增加而增加,又可能aging rate随T增加而减小,就看体系是quench到“过深”区还是“过浅”区。也就是说,在jamming相图的jamming区,会有一个depth of quenching区域体系结构和动态其实是明显随时间变化的。目前其实还不清楚,一个体系aging到底是向着什么样的方向跑。如果它无非是跑到Jamming相图的其他地方,那么这个会aging的区域其实就是暂时的,在“最终”的jamming相图中是不存在的。但前面又说了,我们很难等到体系aging到“最终”的那一天。所以目前只能说,jamming相图只适用于讨论体系从unjamming到jamming的转变位置,在Jamming转变以下的jamming区应该是一个空白,无法讨论。对于吸引势的jamming相图,讨论约化温度,情况就更加复杂。因为吸力体系的jamming实际上发生的是凝胶化(不是玻璃化),往往经过一个从少数粒子聚集的clusters到volume-spanning network的液-固转变过程。这个非平衡过程也在某些语境下被称为aging。这时我们要看,温度T对体系的效应是否仍然是一种“冻结”效应?至少,对于不可逆聚集,提高温度T会增加碰撞机率,有利于cluster和gel的形成,即有利于冻结,这是跟jamming相图中设置的T的效应相反的。事实上,不可逆聚集就是指粒子粘上了之后就脱不掉,有点近似于形成化学键。因此,这个体系的引力势U是对T不敏感的,改变TU的影响很小。对于已经完成凝胶化,不再aging的体系,碰撞机率是无关的因素,可以套用jamming相图,无非就是约化温度的变化其实主要靠 U的变化,但相图性质还是符合的。但体系若仍在凝胶化过程中,T的影响反而成了关键。恰恰因为U很大,凝胶化动力学就是扩散控制的(DLCA),也就是受T控制,碰撞机率是关键 。Jamming相图完全不能适用于这种还在凝胶化(aging)过程中的情况。