有什么人们不知道原理就投入使用的产品？ 第1页

你的脑子

许多工业催化剂。

对于很多工业催化剂，比如石油裂解、三效、乙炔加氢、费托合成等催化剂，通常由多组分金属化合物组成，例如，二氧化碳加氢制甲醇常常使用铜锌铝催化剂(CZA)，其主要的金属组分就有铜锌铝三种，结构复杂且反应气氛敏感。

在研发阶段，这些催化剂在被偶然发现（少数经过理性推演或模拟获得）具有出色的催化性能之后，经过工业放大试验、中试、经济性研究等，最终大规模投入工业化应用。

但是，这些催化剂为什么会发挥其独特的功效呢？其催化原理是什么？我们往往不清楚。

说到催化原理，就必须搞清楚催化剂结构，因为结构决定性能。

事情并没有想象那么简单。催化剂（主要考虑催化反应的活性中心）并不是摆在餐桌上的烧饼，其微观结构并不是一成不变的，在反应过程中，活性中心经常会发生变化（反应气氛诱导的活性中心演化）。比如，许多金属合金在氧化还原反应过程中会发生部分氧化或还原，导致表面和体相的结构发生巨大的演化，表面甚至是体相的重构是十分常见的（如下图）。所以，ex situ（异位）的表征和关联往往是无效的；但真正in situ/operando （原位）的表征手段，又受到表征技术的限制，很难完全模拟真实反应条件。因此，对于大多数工业催化剂来说，我们其实都没有搞清楚它活性位结构，故而其“催化原理”到底是怎样的也都停留在设想与假设。

例如著名的哈伯法合成氨，将N2和H2在高温高压下转化成氨气，是重要的工业原料。即便如此重要，哈伯法催化剂的微观结构在上世纪中叶工业化之后一直悬而未决，也带来了催化原理的不确定。但前期对于催化剂活性位的“无知”并没有影响合成氨催化剂对人类社会发展的巨大贡献。

直到上世纪末Gernard Ertl等人通过先进的表征和模拟手段，大致确定了合成氨铁基催化剂活性中心的微观结构，并证明了该催化过程的具体反应机理。为此，Ertl被授予2007年的诺贝尔化学奖。

直到现在，解析催化剂的活性位仍然是催化科学领域的皇冠明珠。

但对催化原理认知的不充分，并不妨碍我们将其应用于工业生产。

毕竟，伟人曾说过：不管黑猫白猫，抓到老鼠的就是好猫。

图片来源自网络。

不知道原理却用的很开心的东西太多了，身边随处可见的钢材就是一个例子。

钢材制备过程中有个重要的工艺，叫做淬火（一般读成蘸火）。电视里经常演，就是把烧红的铁器往水里一浸，然后发出令人愉悦的呲呲声。由于淬火可以大幅度的提高钢材的硬度/强度/耐磨性，很多钢材出厂前都要经历这么一道冰火两重天的体验。

中国对淬火的最早记载大概是《史记·天官书》，里面提到春秋晚期就有了淬火工艺。然而，淬火的理论解释（以及跟钢铁有关的大部分理论），却都是近一百来年的成果。

淬火最主要的原理，就是通过快速冷却，使得铁中的碳原子来不及扩散析出，滞留在铁内部变成过饱和的铁-碳固溶体，并形成一种称为“马氏体”的显微组织。

直到在1890年，马氏体才被一个叫马登斯（Adolf Martens）的德国人发现。这时候人类已经无知并快乐的耍了两千多年的钢刀了。

即便是2020年的今天，也没有人敢说完全掌握了钢材的相关原理。这不，最近Nature Materials新鲜出炉了一篇论文^[1]，就在马氏体形成的基本原理上取得了重要的理论突破。

类似的，很多金属材料的相关理论（例如位错理论）都是近一个世纪提出来的。在此之前人类用了几千年的金属材料，都是像下面这位一样，只知道好用，却不知道为什么好用：

不知道为啥大家这么关注淬火的读音（这不是本回答的重点好不好），但我还是去查了一下相关文献^[2][3]：淬火是标准词，人们不读它，“蘸 (zhàn)火”是常用词，人们却不写它，这是我国文字 中不多见的现象。淬火这个字应该是司马迁在《史记·天官书》里面最早采用的，但蘸火这个读法很可能是从春秋时期一直口口相传下来的。另外蘸火也是后面改出来的，是个假借词，本词应该是湛火。

参考

1. ^Mechanism of collective interstitial ordering in Fe–C alloys https://www.nature.com/articles/s41563-020-0677-9
2. ^ 金属材料中常见误读误用字词初谈，金属世界，2013年05期
3. ^ “蘸火”词辩，金属热处理，1999年03期

全身麻醉的原理，至今都没搞清楚。

（哎，作为一个麻醉医生........）

而且，全身麻醉药，特别是吸入麻醉药的作用原理，目前也不十分清楚。

（你没看错！现在广泛应用的全身麻醉，算是一个大大的“黑箱”）

大家都知道，麻醉分为全身麻醉、半身麻醉（腰麻、硬膜外麻醉等）和神经阻滞麻醉。

后两者的原理我们很清楚，是通过局部麻醉药（罗哌卡因、布比卡因、罗哌卡因），通过抑制神经细胞的电传导，从而把神经的感觉运动功能阻断。

这很好理解。

但是全身麻醉的原理，却是一个宏大的神经科学问题。

全身麻醉所运用的药物主要有静脉麻醉药（丙泊酚、芬太尼一类）和吸入麻醉药（七氟烷等氟烷类）

其中，静脉麻醉药中的芬太尼一类（镇痛药），我们大概弄清楚了他的原理——即通过与神经细胞上的阿片类受体相互作用，阻断痛觉的形成、传导和整合。

而丙泊酚等麻醉性镇静药，以及吸入麻醉药的原理却不清楚。

为什么呢？

这要从麻醉的起源说起。

1846年，美国的莫顿医生用乙醚实施第一例现代医学上的全身麻醉，那是一个口腔科的手术。

那个时候，人们只知道吸了乙醚以后，人会睡着，过一会又会醒来，并且不记得睡觉过程中发生的事，睡觉时对疼痛的反应也减轻。

后来，人们从乙醚出发，探索了其他各种各样的气体，并在化学结构的角度，成功开发了现在广泛应用的吸入麻醉药——七氟烷、地氟烷、异氟烷等。

从名字就可以看出，这些药都属于氟烷类，从化学上说是一类物质，只是在特定基团上有差别。

但是，到今天为止，我们并不知道为什么这一类物质，可以让人进入麻醉状态，即达到镇静的效果。

尽管近年来，随着分子生物学和神经科学的发展，我们逐步发现，麻醉药物的镇静效果，和大脑神经细胞上的几种受体有关，包括NMDA受体、GABAA受体、5羟色胺受体等等。

我们也发现，通过对这些受体的激活或者抑制，达到镇静或者觉醒的效果，

但单独针对受体的效果与麻醉药物实际应用的效果还是有所不同。

真实的情况，远比我们了解的复杂。

我们仍然不知道，当麻醉药物进入到大脑以后，是如何作用于神经细胞、如何影响这些受体的功能，以及如何调控复杂精细的神经互作网络。

这些，我们都不清楚。

我们只知道，这些药物应用到多大剂量可以满足外科手术的要求，多少剂量范围内对患者是安全的。

1951年，氟烷被应用于麻醉，并在后续几十年中陆续开发出性能更加优异的地氟烷、七氟烷。

1983年，丙泊酚在英国开始临床试验，并应用至今。

现在，丙泊酚已进入基本药物清单，七氟烷等氟烷类麻醉药也成为了麻醉机的必备单元，它们几乎是所有全身麻醉的核心。

然而，这两个药物的原理，时至今日，也没有完全弄清楚。

全身麻醉的原理，本质上是神经科学中觉醒、记忆、感觉等多个问题的综合。

尽管现代麻醉学已经能通过使用这些麻醉药物实施安全有效的手术麻醉，但大脑仍然是现代医学中最大的黑箱，麻醉的原理仍依赖对大脑的进一步认识。

过去的医学，是我们从实践中总结经验，通过用在人身上所得到的结果，记录下哪种治疗针对哪种疾病。

我们不清楚其中的原理，把这叫做“黑箱操作”。

现在，我们逐渐开始认识人体和疾病，了解其中的具体原理和机制，并针对性的开发药物解决问题。

我们正在逐步把“黑箱”打开，了解其中的构造和零件。