【元素家族——連載34】液氮和人體冷凍技術

1784年，法國化學大神拉瓦錫大開了一次腦洞：假如地球突然進入寒冷的地區，空氣將不再是氣體，而是變成液體，在地上流淌。

這聽起來像是神話，但這個「神話」卻激勵了眾多科學家一步一步去實現它！

【空氣在地面上流淌，科學巨匠的腦洞真的非同一般！】

1823年，英國大牛法拉第公布了他的一些研究成果，原來，他已經成功用壓縮和降溫的方法將很多種氣體變成了液體，比如二氧化硫、硫化氫、二氧化碳、一氧化二氮、氨、氯化氫等。但他發現，無論施加多大的壓力，有一些氣體仍然無法液化，比如：氮氣、氧氣、甲烷、一氧化碳、一氧化氮、氫氣。看起來，這幾種氣體骨頭太硬，承受「千鈞」的壓力也巋然不動，科學界將它們稱為「永久氣體」。

【二氧化碳一般從固體直接升華為氣體，但通過冷卻超臨界狀態的二氧化碳也能得到液態二氧化碳，如圖中玻璃管內的霧狀物。】

在19世紀，對氣體開展研究的主要是熱力學家們，他們總是用各種容器、活塞改變氣體的體積、溫度和壓力，焦耳和湯姆遜（開爾文勛爵）就是其中兩個佼佼者。1852年，他們發現了焦耳-湯姆遜效應，氣體在絕熱（等焓）的環境下通過自由膨脹而達到溫度的改變，可以上升也可以下降。這說明分子間是有作用力的，更給了後世物理學家一個啟示：可以通過節流膨脹後溫度的下降產生製冷效應。

【焦耳-湯姆遜效應示意圖。】

1869年，熱力學家發現了可液化的氣體存在一個「臨界溫度」，在這個溫度以上，無論如何施加壓力，氣體都不會液化。那麼會不會是這些「永久氣體」的臨界溫度太低，我們暫時還達不到呢？如果我們有能力達到更低的溫度，是不是「永久氣體」也會液化，拉瓦錫的神預言就會成真？

【學習了熱力學以後我們有了更先進的工具：三相圖，臨界溫度（Critical Point）的物理意義在三相圖上很明顯。】

沒有理論的支撐，只能是一個個猜想。眼巴巴的看著幾乎完全一樣的透明氣體或者液體，不解決任何問題，只有建立更細緻的物理模型，才能探究物體的實質。

1873年，36歲的荷蘭人范德華髮表了他的博士論文《論氣態和液態的連續性》，引入了當時最新的分子動理論，第一次考慮到了分子間作用力，並給出了著名的范德華方程。相對於我們高中課本上的理想氣體狀態方程，范德華方程考慮了分子體積，更加貼近實際，跟實驗更加吻合，從這個方程可以直接計算出臨界溫度。

【范德華因為他的方程獲得1910年諾貝爾物理學獎，分子間作用力更是以他的名字命名「范德華力」。】

如果說范德華方程提供了物理圖像和理論工具，那焦耳-湯姆遜效應就為物理學家們提供了技術手段，兩者雙劍合璧，「永久氣體」液化大業可成。

1877年，法國人卡耶特和瑞典人皮克泰受到啟發，先將純氧壓縮到300大氣壓，將盛有壓縮純氧的玻璃管置於-29℃的二氧化硫蒸氣中，再將二氧化硫蒸汽降壓產生製冷效應，果然在管壁上觀察到了薄霧狀的小液滴。

人類第一次觀測到了「永久氣體」的液體狀態！「永久氣體」不再「永久」！這座堡壘終於被攻克了！拉瓦錫的神預言終於成真了！

【藍色的液氧是第一種被液化的「永久氣體」。】

幾年以後，波蘭物理學家符盧勃列夫斯基和奧爾謝夫斯基用類似的方法液化了氮氣，緊接著是氫氣，直到最後的氦氣，打破「永久氣體」的假標籤，人類終於踏入低溫世界的大門，我們在「氦」的篇章里已經涉及，今天的主角則是「液氮」。

氮氣在空氣中最多，這真是上天賜給我們的免費資源，而空氣中第二多的氧氣形成液氧後容易爆炸，極不安全，更多被用來做炸藥或助燃劑。因此液氮真是太經濟的冷卻劑，在各大實驗室都在用。

【都看過液氮吧？】

一個大氣壓下，液氮的沸點為-196℃，似乎是一個難以想像的數字。但實際上，它並不危險，甚至你把手伸進液氮，幾秒之內拿出來，也不會看到你的手凍成一根「冰棍」。這是由於你的手相對於液氮是一個高溫的表面，寒冷的液氮遇到炙熱的皮膚，不會潤濕表面，而是形成一個蒸汽層，阻隔了液氮吸熱，這就是「萊頓弗羅斯特效應」！

【不要怕，萊頓弗羅斯特效應會保護你的手！】

在很多科普活動中，會經常看到液氮的身影，我們的科普工作者會用液氮來演示各種低溫的效果，比如雲霧繚繞，比如將各種物體凍成堅硬易碎的模樣，甚至你也有得到機會，將手伸進液氮，利用「萊頓弗羅斯特效應」近距離感受拉瓦錫魂思夢繞的液體空氣中的一部分。

【玩轉液氮吧！】

但千萬不要因此就對液氮放下警惕，這畢竟不是我們常溫的物質，長時間接觸液氮會產生嚴重的燒傷。現在已有一種「液氮雞尾酒」，加入液氮營造雲霧繚繞的「仙氣」。據報道，2012年，英國一名女孩在自己生日會上服用了一杯液氮雞尾酒，最終導致胃切除。

【傳說中的液氮雞尾酒，謹慎哦。】

【20歲的Gaby，兩年前喝下液氮雞尾酒導致胃切除的可憐女孩。】

人這種嬌貴的生物還是太脆弱了，有人曾經嘗試過將活魚在液氮中冷凍，然後取出放置在溫水裡，奇蹟出現了，冷凍的魚竟然逐漸復甦。

【凍魚復活，神奇不？魚類保護主義者請無視。】

那麼人們自然會繼續幻想，魚都可以冷凍再復甦，那麼人呢？從古至今，長生不老就是無數人的夢想，如果不能無限延長壽命，退而求其次，把自己的肉體封存起來，等待後世解封，目睹未來那更精彩的世界，倒也是一個美妙的夢想。更何況目前人類還面臨很多不治之症的威脅，如果將患者冷凍，等到科技昌明的未來，他們將不再受病患的困擾。

【將自己冷凍，等待更好的明天，你願意嗎？】

人類始終相信自己一定會飛向廣闊無垠的太空，在那空曠的一無所有的太空里，人的生命極其渺小，也過於短暫。距離我們最遠的太空航行器，飛行了40年還沒有完全駛離太陽系，任何人終其一生也耗不起漫長的太空航行。正因此，太空科幻作品裡如果沒有超光速，大多數都存在人體冷凍的素材。

20世紀60年代拍攝的《2001太空漫遊》在科幻電影史上具有里程碑的意義，影片中，兩位主人公和三位處於冬眠狀態的科學家飛向木星，卻被人工智慧計算機殺害。

【《2001太空漫遊》劇照，三位冷凍狀態的科學家正在休眠。】

三體3中的主人公程心，經過多次冬眠來到未來，毀完人類毀太陽系，最後還丟下小金魚可能會毀掉宇宙。所以有人說：程心才是故事裡最大的死神！

【《三體》3死神永生，你認為誰是死神？】

實際上，人體冷凍技術一直是當今科技最尖端的超級難題，有人把它和曼哈頓計劃、阿波羅計劃、人類基因組計劃並列，堪稱科技奇蹟。

人體由細胞構成，細胞從-5℃以下開始凍結，但從0℃到-60℃這個區間，快速增長的冰晶會導致細胞膜損傷，產生不可逆的傷害。解決這一問題，一方面考慮使用低溫抗凍液體取代人體內的水，另一方面則是將溫度迅速降到-120℃以下，這已經低於乾冰的升華點了，液氮當仁不讓的成為了人體冷凍技術中不可取代的冷卻介質。

【影片《太空旅客》中的人體冷凍技術。】

到目前為止，冷凍精子、卵子已經廣泛應用於試管嬰兒產業，皮膚、角膜等比較小的器官也可以冷凍後再恢復使用。但較大的器官還是非常「嬌嫩」，更不用說那充滿著億萬神經元細胞的大腦了。在前面冷凍魚的實驗里，魚在液氮中待的時間畢竟不長，只冷凍了表層，如果放進去足夠長的時間，內臟也被冷凍，那是絕對無法復活的。

我們只有期待，未來人類的智慧能夠一步一步解決這一難題！我也希望能夠將自己沉浸在液氮里，在時間之河中漂流到未來，等待蘇醒的日子，那一定是更美妙的世界！

【兒童文學作家杜虹，2015年去世，已將大腦冷凍，她是中國第一名「冷凍人」。】

氮氣在地球上的存在只是氮元素的一部分，更多的氮元素是作為氮氧化物、硝酸鹽類、銨鹽、有機胺類等化合物而存在的，接下來的幾篇我們就一個一個的來討論下這些氮元素的化合物。

小測試：

1， 下列哪種氣體不是「永久氣體」？

A） 氮氣

B） 氧氣

C） 二氧化碳

D） 一氧化碳

2， 一個大氣壓下，液氮的沸點是多少度？

A）-78.5℃

B）-183℃

C）-196℃

D）-273℃

3， 你願意將自己冷凍起來嗎？

A） 萬分期待，願意嘗試

B） 等到技術成熟再考慮

C） 珍惜當下，活著就好

D） 醬油黨路過

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