张宇宁
本科生科研指南(68):科研选题之偶然发现 精选
2020-11-27 10:41
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本科生科研指南(68):科研选题之偶然发现

 

张宇宁、张湘晴

华北电力大学能源动力与机械工程学院

 

科学的灵感,决不是坐等可以等来的。如果说,科学上的发现有什么偶然的机遇的话,那么这种“偶然的机遇”只能给那些学有素养的人,给那些善于独立思考的人,给那些具有锲而不舍的精神的人,而不会给懒汉。

----华罗庚(1910-1985)

 

科研工作中的灵感具有一定的不确定性和不可控性,科学家们永远都不会知道一个绝妙的科研想法会在何时何地以何种方式出现。偶然发现是科研选题过程中的一种非常有意思的想法来源,极大程度地丰富了人类的想象力、创造力和知识。纵观人类历史,此类妙手偶得的佳例不胜枚举,接下来我们便通过几个具体的例子来看看科学家们如何抓住稍纵即逝的“偶然发现”并将之转化为科研想法

 

一、误打误撞

 

一般而言,塑料是不能导电的。但是,聚乙炔塑料不但可以导电,而且具有延展性好、质量轻等诸多优点,并因此在电子信息、能源、计算机等领域已有广泛的应用。很难想象,该特殊类型塑料的成功研制得益于一场“错误”的实验。1971年,日本化学家白川英树在指导留学生进行有机高分子材料聚乙炔的合成实验时,由于语言沟通障碍等原因,留学生误在反应体系中加入了比预设用量高出上千倍的催化剂。然而,这一错误的实验操作反而误打误撞地使得反应液表面出现了具有金属光泽的聚乙炔薄膜。这一偶然发现引起了白川英树的高度重视,因为具有工业应用价值的聚乙炔合成技术在当时尚未得到突破。依据上述思路,白川英树以改变催化剂的种类和剂量作为切入点对聚乙炔合成技术进行了系统性的实验研究,并进一步提升了所获得的聚乙炔的性能,成功研制出了导电率超过铜的聚乙炔材料,突破了“塑料不能导电”这一常规认知。基于此,白川英树与其合作者共同获得了诺贝尔奖。导电塑料聚乙炔的合成来自于一个“偶然的失误”,但是白川英树的成功并非偶然,他的成功离不开他对科学的浓厚兴趣和执着追求,以及对实验现象细心留意的严谨态度。

 

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图一 误加入过量催化剂后形成的聚乙炔薄膜

 

无独有偶,青霉素同样是由于研究者的失误而偶然发现的。在一次度假前,英国细菌学家亚历山大·弗莱明误将接种有葡萄球菌的培养皿放在了实验室的一角,而没有放入适合葡萄球菌生长的恒温箱。度假归来后,弗莱明意外地发现培养皿边缘出现了不明菌落,且该不明菌落能够杀死致病性葡萄球菌或抑制其生长。经过后续针对该不明菌落的不懈研究,弗莱明发现了青霉素,并获得了诺贝尔奖。青霉素的发现和应用使得人类获得了对抗细菌侵袭的有效武器,从而挽救了成千上万条生命。

 

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图二 亚历山大·弗莱明偶然发现的青霉素示意图

 

二、意外发现

 

相较于上述对研究者“幸运值”要求较高的误打误撞的科研例子,另一类偶然发现则需要科学家们进行细心的观察和严谨的分析,在医学领域及其他科学领域大放异彩的X射线的发现就属于此类。德国物理学家伦琴在使用放电管研究阴极射线时,采用黑色硬纸板将放电管严密地封住以防止放电管内的可见光漏出。在距离放电管1米之外的荧光屏上,伦琴却意外地发现了微弱的绿色荧光。敏锐的伦琴没有轻易忽视这一偶然发现,在经过一系列的小心求证和细致研究之后,他终于确认这是一种新的不可见射线,伦琴将其命名为X射线,后人又将其称之为伦琴射线。X射线因穿透力强极大地推动了医学和工业领域的快速发展,伦琴也因此获得了诺贝尔物理学奖。

 

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图三 伦琴夫人手掌的X射线图

 

安全玻璃对于大幅降低交通事故中的伤亡率具有重大意义。有意思的是,安全玻璃的发明也与此类偶然发现有关。在一次工作中,法国化学家别涅狄克失手将一个装过硝酸纤维素溶液的玻璃瓶碰掉在地。但令他感到意外的是,玻璃瓶只是产生了裂纹,并没有四分五裂地变成碎片散开,好像有什么东西将玻璃碎片粘连在了一起。忙碌中的别涅狄克留意到了这一不同寻常的现象。按照往常的工作习惯,他在碎掉的玻璃瓶上做好标签记录,并将其收纳在了柜子里。一段时间后,一则交通事故中玻璃碎片伤人的新闻令别涅狄克想起了这只“神奇”的玻璃瓶。经过研究之后,别涅狄克发现,玻璃瓶之所以裂而不碎,是因为瓶中的硝酸纤维素溶液蒸发后,在玻璃瓶内壁上留下了一层薄且韧的透明薄膜。受此启发,别涅狄克研制出了具有高安全度的车窗用挡风玻璃,从而大大提升了行车过程中的安全系数。

 

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图四 有裂纹的汽车挡风玻璃

 

机会永远只留给有准备的人,科研中大部分的偶然都有一定的必然性。依据扎实的基础,科学家们对偶然现象加以留心注意,从而创造了科学历程中必然的成功。在平时的学习、科研过程中,本科生应注意夯实基础,并有意识地锻炼细心、严谨的思维方式和科学态度,养成随时记录、勤于思考的工作习惯。当科研灵感“偶然”到来之时,本科生才能够牢牢抓住机会并创造出无限的可能。


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