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科普专栏 | 建筑学中满满的化学知识点
化学科普专栏——《化学与生活》
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第四期 建筑X化学
La Chimie crée son objet.
Chemistry creates its object.
—— Marcellin Berthelot 1860
想象一个结构，再以物质的形式表达出来。这种方式遍及艺术和手工艺领域，也是建筑设计的本质特征。很巧的是，这也是合成化学的核心。不同的学科是相互联系、相互渗透的。
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Synthetic chemists, like architects, like to actually build what they have designed, and they both face many obstacles in doing so.
合成化学家，像建筑师一样，喜欢实际建造他们设计的东西，他们都会面临许多障碍。
阿基米德多面体
化学家 vs 建筑师
1954年诺贝尔化学奖获得者Linus Pauling同著名艺术家Roger Hayward跨领域合作，在1965年合著出版了一本介绍分子结构的科普读物《分子的建筑术》（《The Architecture of Molecules》），描述原子是如何在分子和晶体中排列的。《Nature》杂志称之为“一件迷人的艺术品”。
The Architecture of Molecules
对建筑学造诣极深的最著名的化学家有以下三位：a）AugustKekulé；b）RichardWillsttter；c）Eugenevan Tamelen。他们在青少年时代就有很强的立体概念，除了设计建造建筑物外，用建筑学上的结构思想研究化学的结构，最后都各自取得了成就。
对建筑学造诣极深的最著名的三位化学家
2018年，纽约大学Dirk Trauner教授在《Angew. Chem. Int. Ed. 》上发表了一篇题为《The Chemist and the Architect》的essay，分析了化学和建筑学之间的微妙联系。
Cs点群对称性
在忽略内部结构的情形下，大部分建筑属于C1到Cs点群的对称性，要么没有对称元素，要么只有一个对称的内部平面。高度对称的建筑比较少见，如泰姬陵的C4v和罗马万神殿穹顶的C28v对称性，但化学分子中却很常见高对称性。
化学和建筑学中有一些相似的手性结构。比如Polytwistane类似所罗门柱，而其异构体Bramantane则类似梵蒂冈的螺旋楼梯。
Polytwistane vs Bramantane
又如矶崎新设计的日本水户艺术塔（Art Tower Mito），基于Boerdijk–Coxeterhelix构造成由面共享四面体组成的螺旋塔。
基于Boerdijk–Coxeter helix构造成的螺旋塔
水立方的设计灵感来源于对肥皂泡的形态学和动力学的特性研究。（表面张力使液体表面积达到最小。）“威尔―费兰气泡”（Weaire-Phelanbubbles）结构模型中由2个十二面体和6个十四面体基本单元组成，属于I型笼形水合物结构。当时借鉴这一模型，减少了水立方所需的钢材数量。
Weaire-Phelan bubbles结构模型
结构和合成是密不可分的。合成化学家如同建筑师一样，需要一砖一瓦搭建，让自己的目标变成现实。那么，如何选择合适的材料进行建筑物的建造呢？
常见的建筑材料
建筑材料对建筑师作品的表达至关重要，纵观历史上优秀的建筑大师，他们对于材料已然不是讲究的问题，而是考究，对材料运用的考究。随着材料制造工艺的突飞猛进，人造材料在建筑界中显现出了前所未有的新势态。比如金属复合材料、混凝土预制板材等新型高端材料。
梁思成
建筑是什么？
它是人类文化的历史
是人类文化的记录者
它反映时代的步伐和精神
本期栏目围绕木材、玻璃、钢材、混凝土、清水混凝土等介绍经典的建筑案例，从新颖的角度引入化学的知识点。
比如玻璃，从微观上看，在常温下短程有序，长程无序，可看作是粘度极大的液体。玻璃像固体一样保持特定的外形，不像液体那样随重力作用而流动。表面看上去是固体，实际上并不是。2008年《Nature Materials》上有一篇文章，科学家研究发现：玻璃无法成为固体的原因，在于玻璃冷却时所形成的特殊的原子结构。物质中的原子永远都是处于结晶的过程中。
Nature Mater, 2008, 7, 556-561
此次研究对于理解亚稳态材料来说是个重大的突破，这对进一步开发金属玻璃等新材料起到了推动作用。另外，如果能够通过操作使金属在冷却时形成玻璃一样的内部结构，将有可能大大减少金属缺陷。
哥特式拱门 何绮婷摄于捷克圣芭芭拉教堂 2018.7
玻璃生于土，成于火。当代建筑玻璃的功能不再仅仅是满足采光要求，而是要具有能调节光线、保温隔热、安全防护、艺术装饰等特性。
非洲当代艺术博物馆内部玻璃板
当代建筑设计中，材料形式被建筑师当作思想与观念的传递媒介。混凝土和钢材、玻璃及其他材料，发挥各自的物化特性，相互结合运用，塑造成越来越有个性化的建筑。安藤忠雄所使用的清水混凝土，是建筑现代主义的一种表现手法。在混凝土浇筑后，不再有任何涂装、贴瓷砖、贴石材等材料，从而表现出混凝土的一种素颜。
住吉的长屋 大阪
除了建筑物的功能，建筑师通过材料、比例和尺度强调出了显著的美学特征，将他所感知到最深处的秩序，在空间和形式上表现出来。一种简单的纯粹的形式，却呈现出千变万化的自然。
新型建筑材料
建筑师通过材料建造来创造空间，使建筑具有了建造本身的物质意义以及再延伸形式的精神意义。在设计中，功能、空间、形式、结构、美学等内涵都与材料建造联系在一起，从而形成建筑表达的整体。除了传统材料再创新，建筑师们还关注哪些新型材料呢？本期视频中介绍自洁涂料、自我修复材料、生物塑料、特质铝材、纸材等案例。
莲花效应
特制铝材
自愈合混凝土
纸砖和纸茧
建筑 vs 化学
新材料和新技术不仅带来了新的结构，也带来了新的美学观念。每一个时代都有它特定的风格，正如钱以佳所说的，建筑师认为的一个重要价值，是将材质、空间、形状、光线、颜色等不同建筑元素相组合，然后创造出一个完整的整体。
建筑师、设计师、艺术家等如能更深入地了解材料的物化特性，对其进行优化研究，提升质感与表现力，那么每一件作品都是极具艺术性的。
从化学角度切入设计，将艺术与科学结合，碰撞出美妙的火花。
我们下期再见。
END
《化学与生活》栏目主创：何绮婷博士
本期嘉宾：廖琬凝
（2020届化学系毕业生 毕业去向：加州大学伯克利分校建筑学硕士）
编辑排版：吴笑弟
1.Linus Pauling, Roger Hayward. The Architecture of Molecules[M]. Freeman, San Francisco, Calif., 1964.
2.[日]隈研吾 著. 陆宇星 谭露 译. 隈研吾的材料研究室[M]. 中信出版集团, 2020.
3.童寯 著. 童明 译. 东南园墅[M]. 浦睿文化·湖南美术出版社, 2018.
4.苏成勇, 潘梅 编著. 配位超分子结构化学基础与进展[M]. 科学出版社, 2010.
5.Mark Miodownik. Stuff Matters: Exploring the Marvelous Materials that Shape Our Man-Made World [M]. Houghton Mifflin Harcourt, 2014.
6.Dirk Trauner. The Chemist and the Architect[J]. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 4177-4191.
7.C. Patrick Royall, Stephen R. Williams, Takehiro Ohtsuka, Hajime Tanaka. Direct observation of a local structural mechanism for dynamic arrest[J]. Nature Mater, 2008, 7, 556-561.
8.[美]彼得·埃森曼. 范路, 陈洁, 王靖 译. 建筑经典：1950～2000/Ten Canonical Buildings 1950-2000[M]. 商务印书馆, 2015.
9.王澍 著. 造房子[M]. 浦睿文化/湖南美术出版社, 2016.
10.王南 著. 梦回唐朝[M]. 新星出版社, 2018.
11.李乾朗 著. 穿墙透壁——剖视中国经典古建筑[M]. 广西师范大学出版社, 2009.
12.黄虹, 颜勇 著. 西方设计史[M]. 北京大学出版社，2016.
13.Angew：化学家与建筑师的异曲同工之妙. X-MOL. 2018.
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来源 | 化学系
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