01 桌面工廠 Desktop Factory

　　寬闊的廠房，高聳的煙囪，龐大的儲罐，轟鳴的機器；化工廠在人們心目中總是與這些場景分不開，但科學家除了在建設這樣的龐然大物上下工夫之外，其實還為化工過程打造了一個袖珍王國。

通向未來化工世界橋梁的微化工系統

Bridge to the Future of the World of Chemical Engineering: Microstructured Chemical System

　　微化工系統是由小型化的、高度整合化的化工裝置構成的系統，它的出現變革了數百年來化工裝置大型化發展的策略，展示了化學工業的未來。微化工系統是基於化工最基本的傳遞強化原理，在精密加工技術的促進下發展而成。在實驗室裡，利用微化工裝置可以組裝「桌面上的化工廠」，在工業化的發展道路上微化工系統已經展開了初步的嘗試。本文將介紹微化工系統的基本原理、製造方法、內部奇特的物理化學現象和幾個典型的應用例項，展示微化工系統在精細化學品開發和生產中的應用潛力，指出其未來的發展方向。

1.1 引言

　　世界是由物質組成的。為了滿足生產生活的需求，人類祖先從自然界直接獲取各種天然物質。隨著社會的發展，特別是現代文明的出現，人類對物質的需求量越來越大，對於物質的性質和功能也提出了越來越高的要求，這種社會需求極大地推動了加工技術的不斷創新與發展，化學工業就是其中的典型代表。化學工業透過對自然資源進行一系列物理和化學轉化，實現各種功能和規格的化學產品的大規模生產，在現代社會中具有舉足輕重的地位。從化纖到輪胎，從水泥到油漆，從汽柴油到化學藥物，從太空梭到超級積體電路，我們身邊到處都有化學產品的身影，可以毫不誇張地說：沒有化學工業就沒有現代文明。

　　當我們在日常生活中享受化工產品為我們的生活帶來便利的時候，也不禁要問這些產品是如何生產出來的？我們都知道，若僅需要少量的化學品，化學家們在實驗室就可以完成，他們使用試管、燒杯、量筒、水浴等儀器，經過一系列反應和純化操作，就可以合成出所需要的化學品。但若產品的需求量龐大，如幾萬噸甚至上百萬噸的產品，就需要建設專門的化工廠。這些化工廠與實驗室的顯著差異在於生產工具發生了重大的變化，在實驗室用於化學反應的試管、燒瓶變成了以立方公尺來計量的攪拌釜，提純用的分液漏斗、蒸餾燒瓶變成了數十立方公尺的塔裝置，儲存化學品的試劑瓶變成了數百至數千立方公尺的儲槽，用於計量的量筒、天平變成了數位化的儀表，用於加熱的水浴變成了兆瓦級換熱器，步驟繁瑣的人工操作被自動化的連續生產線所代替。可以說，化學工業是將化學帶出實驗室，將分子轉化為「錢」，不斷創新經濟和社會效益的產業。

　　古代的釀造業可以說是化學工業的雛形，釀酒用的發酵釜和酒精的蒸餾過程就是原始的化工反應和分離過程。現代化學工業起源於工業革命時期，隨著機械加工、自動控制以及資訊化技術的發展，上百年來無數的化工科學家將化學家在實驗室的成果透過工程科學的運用實現了產業化。時至今日，化學工業的發展已經相當迅速，現代化工裝備已經實現高度的精細化和自動化，很多技術工藝也逐漸趨於成熟，可是數百年來化工裝備大型化的發展理念卻幾乎一成不變。為了不斷擴大產量，化工裝備逐漸向著大型化發展，化工裝置的體積越來越大，化工廠的規模、占地面積也越來越大，高聳林立的塔裝置、密密麻麻的物料管線、如繁星般燈火密布的生產工廠……在我們為這些偉大的生產建設而感到興奮的時候，也會發現化工似乎又常與汙染、危險等關鍵字相連在一起。因此，人們不禁要問：化學工業能否找到更理想的可持續發展模式呢？

　　現代文明不可能離開化學工業，而且隨著人口的增加，資源、能源以及環境壓力的增大，社會的發展對於化學產品的依賴也在不斷增加，圖1.1就是現代大型化工企業的一個場景。早在上個世紀，科學家們就已經意識到單一大型化的發展模式已嚴重制約了化工技術的創新，化學品產量和品質的提高應該源於生產效率和產品收率的提高。為了達到這一目標，化工專家們指出，新的發展模式和不斷深入的化工基本規律認知，是化工裝置和工藝創新發展的重要基礎。微結構化工系統就是這種模式的代表之一。

1.2 無處不在的傳遞現象

　　「天之道，損有餘而補不足」這句話出自老子的《道德經》，意思是大自然的規律，遵循的是減少多餘的，補給不足的。事實上，先賢早在2,500年前就道出了自然界一個普遍真理，也就是傳遞現象遵循的基本原則。

　　簡單來講，傳遞現象是指某物理量從高強度區域自動地向低強度區域轉移的過程，這是自然界和工業生產過程中普遍存在的物理現象。例如，氣球中的高壓氣體向周邊低壓環境的釋放；燒開水時高溫的火焰會向低溫的水提供熱量；水中的糖分會從較甜的高濃度區域擴散到較淡的低濃度區域等等。發生這些傳遞現象的根本原因是物理量的空間位置存在差異，造成了物質或者能量沿著一定的方向發生遷移，即傳遞過程。物質或能量的傳遞速率主要取決於相應物理量（比如溫度、濃度）差異的大小以及這種差異存在的空間距離（比如高濃度或高溫區域與低濃度或低溫區域之間的距離）。試想，燒開水時火焰溫度越高，加熱的速率就越快，水開得也越快；火焰離水的距離越遠，加熱的速率就越慢，水開得也越慢。物理量的差異與空間距離的比值，即所謂的「梯度」，它會直接決定傳遞速率的大小。

　　●傳遞一詞源於對英文單字transport的翻譯，主要指物質和能量在空間和時間上的遷移，故名傳遞，關於傳遞科學的經典著作是R. ByronBird, Warren E. Stewart, Edwin N. Lightfoot編寫的Transport Phenomena（John Wiley & Sons出版）。

　　●梯度是一個向量，它的方向指物理量成長最快的方向，大小是其單位距離上的最大變化量。物理量梯度是引發物理量傳遞的「推動力」。

　　日常的傳遞現象主要分為動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞。下面讓我們結合生活中的例項來認識它們。想像在靜止的水面上漂浮著的一艘小船，小船突然向前開動，船與靜止的水之間便會產生速度差，於是小船的運動會帶動船體周圍的水向同一個方向運動，而最靠近船的水的運動又會帶動外圍的水一起運動，這樣一個運動不斷向遠離小船傳遞的過程就是動量傳遞過程。自然界中的動量傳遞現象很多，如風吹草動，河道變遷等。人類巧妙地利用動量傳遞的原理發展了許多技術來為生產和生活服務，如古代的水車、帆船，現代的風力、水力發電等。熱量傳遞也有很多典型的例子，如冬天暖氣裡的熱水溫度高，而室內的空氣溫度低，兩者之間存在溫度差，因此熱量便由熱水向暖氣片進而向室內的空氣進行傳遞，又比如我們冬天感到寒冷，其實感受到的是熱量正在由體表向周圍環境傳遞，我們穿上厚厚的衣服來禦寒，是利用衣服在身體與外界之間形成一個保溫層，從而降低向外界傳遞熱量的速率。質量傳遞也是隨處可見的，如將牛奶加入到咖啡中，咖啡中高濃度的牛奶與周邊的水形成質量濃度梯度，隨後牛奶不斷向相鄰的水體擴散，直至整杯咖啡都發生顏色改變。

　　滴入咖啡中的白色牛奶起先聚集在一起，形成一個高濃度區域，這一區域與周圍流體產生濃度梯度，在擴散的作用下牛奶逐漸散開，最後形成均勻的溶液。

　　● 分子擴散，通常簡稱為擴散，是指分子透過隨機運動從高濃度區域向低濃度區域的傳播。擴散的結果是緩慢地將物質混合起來，在溫度恆定的空間中，擴散的結果是完全均勻混合，從而達到熱力學平衡狀態。

　　在大多數情況下，動量、熱量和質量的傳遞並不相互獨立，而是相互影響，甚至同時進行的。例如暖氣在向外傳熱量的同時也會製造流動，這是由於暖氣周圍的空氣溫度較高，密度較小，從而在暖氣上方會產生上升的氣流，並與周圍的空氣一同形成環流，這是一個動量傳遞的過程，同時，由於這種動量傳遞產生的空氣流動又加速了整個房間內熱量的傳遞，因此它是一個動量與熱量相互促進共同進行的例子。而在牛奶咖啡的例子中，搖晃杯子，動量由杯子壁向水體內部傳遞，引起水的運動，而這種運動將會促進牛奶的擴散，加快達到濃度均勻的衡狀態。由此可以看出自然界的傳遞現象十分複雜，掌握傳遞過程的基本規律對於人類認識自然十分重要。

　　了解了生活中的傳遞現象，再讓我們來認識化工生產中的傳遞現象，從而切身體會其在化工生產中的重要性。與大自然類似，化工生產中動量傳遞的宏觀表現形式主要是流體的流動，只要涉及流體流動的過程就有動量傳遞現象。在化工生產過程中流體（比如空氣和水）無處不在，動量傳遞現象也無處不在，因此流體輸送裝置是化工生產中的常見裝置。例如，水幫浦對管路中液體的輸送，反應器中的攪拌對流體混合都是典型的動量傳遞過程；在化工中幾乎每一個反應和分離過程都涉及熱量傳遞，如在蒸餾乙醇時的加熱，氧化反應中的降溫，冬季管道的保溫等；物質組成的改變和化學轉化是化工過程和主要目的，因此質量傳遞（簡稱「傳質」過程）也是化工過程的重要特徵，化工生產中物質提純、反應物混合都是傳質過程，任何化學反應同樣都離不開傳質過程。在設計存在缺陷的化學反應器內，反應放熱的速度可能比熱量傳遞的速度快得多，這會導致反應器內不同位置的溫度存在很大差異，這種差異反過來會影響局部的反應過程，使初始差異的影響被不斷放大，這是造成很多化學反應在大型反應器內難以控制，甚至出現事故的重要原因。

01 桌面工廠 Desktop Factory

　　寬闊的廠房，高聳的煙囪，龐大的儲罐，轟鳴的機器；化工廠在人們心目中總是與這些場景分不開，但科學家除了在建設這樣的龐然大物上下工夫之外，其實還為化工過程打造了一個袖珍王國。

通向未來化工世界橋梁的微化工系統

Bridge to the Future of the World of Chemical Engineering: Microstructured Chemical System

　　微化工系統是由小型化的、高度整合化的化工裝置構成的系統，它的出現變革了數百年來化工裝置大型化發展的策略，展示了化學工業的未來。微化工系統是基於化工最基本的傳遞強化原...

序

──化學與化學工程鑄造未來世紀

　　回顧人類在這個星球上的發展歷程，我們看到，人類文明已經極大地改變了這個星球的面貌和人類的生存狀態，而人類文明的發展離不開科學與技術。本書要特別強調的是，現代文明離不開化學與化學工程，它們支撐著人們吃穿用度的日常生活，為眼花撩亂的高科技產品提供了各種先進材料，也在維護人類生命健康、應對全球氣候變化等重大挑戰方面發揮著重要作用。

　　毫無疑問，化學與化學工程所支撐的泛化學工業，是國民經濟的脊梁。離開了化學與化學工程，現代社會將有很多人衣不暖、食不飽、居無所、行不遠，生活水準和品質大幅下降。本書雖然對這些相對傳統的內容並無太多著墨，但提請讀者注意化學和化學工程被社會大眾「日用而不知」的這一事實。

　　化學和化學工程更是高新科技的發端和支撐。先進製造業的發展需要各種高效能材料，包括高強度、高耐熱、高耐寒、高耐磨、高氣密封、高耐腐蝕、高催化活性、高純度、高磁、超導、超細、超含能、超結構和自組裝材料等等，無一不需要化學與化學工程技術來發明和製造。

　　高效能新材料是先進製造業的先導和根本，也是製造業落後的根源之一，需要奮起直追。

　　泛化學工業在食品、製藥、醫用材料等人類健康支撐產業方面發揮著重大作用。此外，環境和生態改善也是化學化工的重要領域。化學和化學工程一直在不斷進步、推陳出新，為人們的想像力發展和創造力實踐提供著充分廣闊的空間。

　　隨著科學與技術的指數式演進，可以預期我們現代社會所處的「今天」，會被認為是屬於人類歷史上相當原始的時期。再設想100年、500年、1,000年以後，現在地球上常用的礦產資源、化石能源可能已經所剩無幾，只有依靠化學和化工過程對可再生資源和清潔能源進行轉化利用，才能使社會經濟循環和永續發展。所以，強大而先進的化學與化學工程也是人類未來的依託。

　　人類文明發展到今天，絕大多數的人絕不可能願意去過那種原始的、生產力低下的「自然」生活，只有依靠先進的科學與技術，人類才能更健康、更長壽、更幸福。那種認為應該停止科技發展去過田園牧歌式生活的想法，只能是少數人的烏托邦，是一種迴避現實的幼稚病。人們對科技給人類社會帶來的負面影響已經有了深刻理解，也具有足夠的智慧和方法來減少和避免這些負面影響，現在和未來都需要依靠科技自身的發展和進步，發揮科技的正能量。

　　月球行走第一人、美國工程院院士尼爾．阿姆斯壯（Neil Alden Armstrong）曾呼籲說：「美國有許多人不相信邏輯，對專家們的努力持批評態度，而且往往感情用事，這些人所記得的全是橋梁塌陷、儲油罐洩漏、核輻射散發汙染等的報導。工程師們其實能言善辯，之所以沒有取信於人，是因為人們把工程師們看成技術的奴隸，看成絲毫不注意環境保護、不注重安全、不注重人生價值的人。」目前對化學和化學工業的報導又何嘗不是如此呢？阿姆斯壯接著說道：「我拒絕接受這些批評，工程師其實像社會上的其他人一樣有愛心、同情心和責任感。事實上，將他們馬失前蹄之例毫無保留地公諸於世，足以證明他們的卓越不凡。」

　　坦言化學和化學工程還不完美，面對其所遭遇到的重大挑戰，正是因為它們的無可替代，因為它們對人類已經做出的重大貢獻並且還將做出的更大貢獻。我們呼喚年輕一代為此去建功立業，不為浮雲遮望眼，去為人類追求更幸福的生活。

　　編輯出版本書的目的是把世界著名大學和研究機構近期進行的化學與化學工程方面的研究工作介紹給年輕朋友。出版品力求展現展望性、科學性、科普性和趣味性，以饗讀者，也希望吸引優秀的年輕學生投身化學與化學工程事業中。出版品中肯定有局限和不足之處，望不吝指正。

金湧

序

──化學與化學工程鑄造未來世紀

　　回顧人類在這個星球上的發展歷程，我們看到，人類文明已經極大地改變了這個星球的面貌和人類的生存狀態，而人類文明的發展離不開科學與技術。本書要特別強調的是，現代文明離不開化學與化學工程，它們支撐著人們吃穿用度的日常生活，為眼花撩亂的高科技產品提供了各種先進材料，也在維護人類生命健康、應對全球氣候變化等重大挑戰方面發揮著重要作用。

　　毫無疑問，化學與化學工程所支撐的泛化學工業，是國民經濟的脊梁。離開了化學與化學工程，現代社會將有很多人衣不暖、食不飽、居無所、行...

序
前言
01 桌面工廠Desktop Factory
　　1.1　引言
　　1.2　無處不在的傳遞現象
　　1.3　微尺度傳遞與化工過程強化
　　1.4　精密製造與微化工裝置
　　1.5　桌面工廠——神奇的微化工系統
　　1.6　微化工系統在工業生產中的應用初探
　　1.7　微化工技術的未來
02 電力銀行Electricity Bank
　　2.1　引言
　　2.2　夜晚還能利用太陽照明嗎？
　　2.3　把電儲存在哪裡？
　　2.4　儲能電池會替生活帶來哪些變化？
　　2.5　歷史悠久的鉛酸電池儲能技術
　　2.6　利用水溶液來儲電的全釩液流電池
　　2.7　能存更多電量的鋅溴液流電池
　　2.8　利用金屬鈉和硫磺做成的電池
　　2.9　會「呼吸」的鋅空氣電池
　　2.10　面向未來的儲能科學與工程
　　2.11　結束語
03 智慧釋藥Smart Drug Delivery
　　3.1　引言
　　3.2　什麼是藥物傳輸系統，為什麼要發展智慧釋藥系統？
　　3.3　從化學工程的角度理解藥物在體內的輸送
　　3.4　化學與化學工程促進藥物的吸收
　　3.5　化學與化學工程幫助藥物靶向輸送
　　3.6　化學與化學工程實現藥物的控制釋放
　　3.7　結語：化學工程為人類的健康創造新奇蹟
04 神奇的碳Miraculous Carbon
　　4.1　碳的發現
　　4.2　獨特的原子結構
　　4.3　豐富的成鍵特性
　　4.4　碳的單質形態——同素異形體
　　4.5　新型碳材料
　　4.6　結束語
05 分子機器Molecular Machines
　　5.1　未來的機器——微型化的方向
　　5.2　分子的「革命」——什麼是分子裝置和分子機器？
　　5.3　緣起分子車輪——分子裝置和分子機器的研究歷史
　　5.4　家族的擴張——形形色色的分子裝置和分子機器
　　5.5　結束語
06 OLED之夢OLED Dream
　　6.1　OLED技術簡介
　　6.2　有機半導體材料的光電原理
　　6.3　OLED發光原理
　　6.4　有機材料——OLED的根本
　　6.5　神奇的有機材料設計與合成
　　6.6　OLED的應用
　　6.7　OLED為人類提供更美好的生活體驗
07 複合材料Composite Materials
　　7.1　複合材料的由來
　　7.2　複合材料的特點和應用
　　7.3　傷口自癒合複合材料太空梭構件
　　7.4　複合材料的未來
　　7.5　結束語
08 病毒製造Virus Manufacturing
　　8.1　病毒製造——從大千世界說起
　　8.2　病毒製造的科學基礎
　　8.3　病毒製造的大事業
　　8.4　放飛夢想——病毒製造的大時代
09 生物煉製Biorefinery
　　9.1　石化煉製的過程及其存在的問題
　　9.2　生物煉製的概念
　　9.3　生物煉製過程
　　9.4　木質纖維素的生物煉製
　　9.5　典型的生物煉製產品
　　9.6　展望
10 細胞工廠Cell Factory
　　10.1　微生物細胞工廠的科學基礎
　　10.2　微生物細胞工廠的大事
　　10.3　結束語

序
前言
01 桌面工廠Desktop Factory
　　1.1　引言
　　1.2　無處不在的傳遞現象
　　1.3　微尺度傳遞與化工過程強化
　　1.4　精密製造與微化工裝置
　　1.5　桌面工廠——神奇的微化工系統
　　1.6　微化工系統在工業生產中的應用初探
　　1.7　微化工技術的未來
02 電力銀行Electricity Bank
　　2.1　引言
　　2.2　夜晚還能利用太陽照明嗎？
　　2.3　把電儲存在哪裡？
　　2.4　儲能電池會替生活帶來哪些變化？
　　2.5　歷史悠久的鉛酸電池儲能技術
　　2.6　利用水溶液來儲電的全釩液流電池
　　2.7　能存更多電...