显微镜揭示了生命的微观结构，力学定律描绘了物体的运动规则，而在格物书院另一间烟气与奇异气味时常飘出的屋子里，一种更贴近物质本源的探究，却陷入了表达的泥沼。那是化学（他们此时更常称之为“炼化”或“质变之学”）小组的实验室。
自从尝试从盐场苦卤中提取有用物质、改进肥田粉配方、乃至研究金属锈蚀与燃料燃烧以来，以沈括（他同时兼顾显微镜和化学研究）和几名对物质变化充满好奇的学子为核心的小组，已经积累了大量的实验记录。陶罐、瓷坩埚、玻璃瓶（由陈万钧设法从海商处购得，极为珍贵）中，进行过无数次混合、加热、冷却、过滤、沉淀。
然而，记录这些过程，成了越来越大的负担。最初，他们使用描述性文字：
“取胆矾（蓝色结晶）少许，置铁釜中强火灼之，得白色粉末，有刺鼻烟气生，凝于釜盖为晶莹液滴，味酸烈。”
“以绿矾投清水，溶解得淡绿之液，再投光亮铁钉一枚，片刻后，钉表覆红褐色之物，液色渐褪。”
“硝石与硫磺同木炭末混合，以火引之，可急速燃爆，声光剧烈。”
实验越做越多，物质种类越用越杂（除了常见的盐、矾、硝、硫、炭、金属，还涉及草木灰、贝壳、矿石、各种汁液等），变化过程也越来越复杂。文字记录冗长且不精确。“少许”是多少？“强火”是多强？“淡绿”到什么程度？反应的物质比例如何？产物有多少？这些关键信息往往模糊不清，全凭操作者当时的估计和事后未必准确的回忆。
更麻烦的是知识传递。沈括向新加入的学子讲解一个实验时，往往需要一边指着实物，一边比划着说：“就是那种深蓝色的石头，磨成粉，加上那种黄色有味的粉末，一起加热，会得到一种能让火星变旺的东西……” 效率低下，且极易出错。不同的人记录同一实验，描述可能大相径庭。
问题在一次险些造成小事故的实验中爆发。一名学子根据一份记录模糊的配方，试图重复制备一种用于助燃的“爆火粉”，因对“硝七硫二木炭一”的比例理解有误（记录者未明确是重量比还是体积比，且“一”是多少未定义），操作时混合不当，差点引发火灾。虽未伤人，但惊动了整个书院。
云湛亲自查看了实验室和堆积如山的记录册，眉头紧锁。他将沈括和几位核心成员召集起来。
“诸位，观尔等记录，如读天书。非不努力，乃因言语本身之局限。”云湛指着一段描述，“‘得白色粉末’——此粉末与彼次实验所得‘白色粉末’，是否为同一物？‘烟气刺鼻’——何种刺鼻？与醋之酸气同否？与燃硫之气同否？”
众人默然。这正是他们的切肤之痛。
“昔人炼丹，有《周易参同契》之类，以铅汞龙虎喻药物，以卦象爻变喻火候，玄之又玄，外人难懂，师徒相传亦易失真。”云湛缓缓道，“我书院‘格物’，旨在去玄就实，使知识明白、可复现、可传习。今化学一道，遇此记述之瓶颈，当思破局之法。”
他顿了顿，提出一个构想：“世间万物，虽千变万化，然是否可归于有限之‘基本质材’？譬如木器、纸、炭，虽形性迥异，然燃烧后皆剩灰烬，似有共通之‘基’？此等构成万物之‘基本质材’，或可称为‘元素’。若能为常见之‘元素’设定简明符号，再以符号组合表示具体物质，以符号与数字记录变化之比例与过程，或可化繁为简，一目了然。”
这个想法让沈括等人耳目一新，却又感到无从下手。符号？如何设计？代表哪些“元素”？
云湛没有直接给出全套方案，而是引导他们从最熟悉的物质开始梳理、归纳。他们首先整理出实验中最常出现的、似乎难以再分解的几种物质：炭（燃烧后成灰，但炭本身在各种反应中似乎很基本）、硫磺（黄色，易燃，有特臭）、各种金属（铜、铁、锡、铅等，能从矿石中炼出，性质各异）、以及“水”、“盐”（他们已意识到盐可分解为“咸质”和“苦质”？暂未定论）、“硝石”、“矾”等。
“符号须极简，易书写，且最好能与名称或特性关联。”云湛建议。他示范性地在地上画出几个符号：一个圆圈中间加点（⊙）代表“日”亦即“阳”，象征金属中光泽、延展之性最强的“金”（他们暂以铜为代表）；一个缺口的半圆（∩）代表“山”或“石”，象征固态、稳定的“石”类元素，如硫（取自“石硫磺”）；一个波浪线（≈）代表“水”；一个简单的树杈形（↑）代表“木”，即炭素。
这些符号带有一些象形或会意的痕迹，但已大为简化。沈括等人立刻被吸引，开始热烈讨论和创造。他们摒弃了过于玄虚的阴阳五行直接对应（尽管潜意识仍有影响），更注重实用和直观。经过反复推敲和试用，他们初步确定了一套简易符号体系：
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