材料化学研究进展.pdf

第 卷第 期 年 月 硅酸盐学报 综综合评述述 材料化学研究进展 萧小月徐燕 桂治轮李龙土张孝文 清华大学材料科学与工程系 化学 系 摘要 本 文提纲携领地论述了材料科学中的化学以及材料化学的形成和意义 特别指出了材料化学作为材料科学的一个 重要分 支学科 它在新材料的发现和合成 纳米材料制备和修饰工艺的发展以及表征方法的革新等领域所作 出的独到贡献 阐明了材 料化学在原子和分子水准上设计新材料的战略意义 及其广阔应用前景 揭示了材料 化学在二十一世纪材料科学中 的先导作用 关扭词 材料化学 新材料 纳米材料制备 分子设计 先导作用 引言 现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展 可以说任何高科技的进步都离 不开新材料的开发和利用 因而材料科学被公认为 世纪六大高科技领域 生物 信息 能 源 材料 空间和海洋工程 的基石 材料科学的发展源 自于工程技术 的兴趣和需要 所谓 材料 就是构造成人类生活中各种器物所用的物料 很明显 材料科学的最初研究源于对地 球物质 矿物晶体 的认识 分类和表征 人类的文明是从使用地球上的岩石作为工具开始 的 从石器时代发展到青铜时代 又进化到铁器 时代直至陶瓷时代图 在这一过程中 化学的 前身矿物 晶体学及相关冶炼技术起着关键的作用 当社会进入到以现代材料科学为基础的高 新技术时代的今天 化学的角色更显得重要 因为化学是研究并通过制备工艺控制物质的组 成 结构和性质的科学 简明地描绘化学在材料科学中的作用是 化学提供了新材料 物理 学赋 于它物理特性 工程学将它制造成人类所需要的器物 见图 很明显 从图 可以清楚地看出 材料科学得以发展的关键是新材料的开发 而这个任 务自然落在了化学的范畴 美国 国家实验室著名的材料科学家 和 大学著名的材料科学家 经过统计分析明确地指出 新材料的开发是材料科学发展 的先导 认为新材料的合成是一个国家材料科学发达与否的标志 并以发表在 上的文章数量来衡量一 个 国家材料科学 的研究水平闭 可见材料科学中的化 学是至关重要的 年 月 日收到 通讯联 系人 萧小月 清华大学材 料科学与工程系 北 京 图 材料科学与化学 物理学和工程学等相关学科的关 系示意图 凌 材料化学的研究现状 在历史即将跨进 世纪的近十年中 化学与材料科学的结合更加紧密 并导致了材料化 学 的产生 与传统材料科学中的化学相比较 材料化学从纯粹合成新材 料上升到了有目的的设计 合成 制备和修饰新材料的研究阶段 也就是说 材料化学是运 用化学方法 在原子和分子水准上来研究高新技术材料的一门交叉科学 这可以从图 与图 的比较来表述 图 材料化学在材料科学中的功能示意图 一 正 因为如此 材料化学已成为材料科学的一个新的重要的发展方向 在材料科学研究中 表现出异常活跃的生命力 它包罗 了聚合物材料 陶瓷材料 无机非金 属材料 磁性材料 电子材料 化学传感材料 催化和吸附材料 超硬材料和薄膜材料等 其中有机聚合物材料 已发展成为一门相对独立的学科 详细论述材料化学的方方面 面是一个很大的工程 因此本 文将从材料化学的研究特点入手 对新材料 以无机材料为主 的发现 和开发 制备和修饰 工艺的发展以及表征方法的革新等诸方面作一简要的论述 新材料的开发 新材料的开发依赖于化学合成的进展 回顾一下材料科学的发展史 可以发现化学合成 导致了材料科学中许多具有里程碑意 义的发展 下 页表中所列是近百年来部分重大新材料合 成的总结 列 出的事实从一个侧面充分地说明合成化学对材料科学的巨大推动作用 近十年 来 材料科学的两个研究高潮均依赖新材料的发现 年 公司的 和 发现了 一 一 一 钙钦矿型结构氧化物的高 温超导性圈 这一发现导致了材料科学的第一个研究浪潮 为新的产业革命带来了曙光 同时 它还刺激材料化学家 们去寻找和制备新的高温超导材料 其中特别是在利用 等阳 离子置换提高超导体临界温度方面 材料化学家们作出了杰出的贡献 材料化学家还从理 论 制备和表征 结构与性能的关系 表面 和界面化学 工艺过程 应用等等方面对氧化物 超导材料进行了深入的研究川 由于这些卓有成效的研究工作 材料化学这门新的交叉学科得 到 了全面的发展 与此同时 由英国的天体化学家 教授和美国的物理化学家 教授共同合作研 究发现 了球型结构的 阁 从 年首次报道发现 到 年被最后证实图 迅速导致 了全球 的研 究热潮 形成了材料科学继氧化物超导材料之后的第二个研究高峰 及其化 合物和衍生物的高温超导性 导电性 一 和铁磁性以及化学活性充分 显示 了它们在相关高科技领域中潜在的应用前景 这包括它们作为超导材料 铁磁性材料 储 存元件中的电容器 转换电路中的晶体管 高效电池材料和催化剂等等的高科技应用 它的 发现导致了材料科学和化学领域的革命 作为原子和分子簇材料的研究 的发 现还进一 步导致了其它新材料 的开发 这包括 巴基管 巴基管 金属 一碳原子 簇材料 如 以及 等 材料化学 另一个重要的进展就是分子电子材料的开发 这类具有一维或准一维的有机 分子材料显 示 出极好的导 电性 超导性和非线性光学特征 它们在实现比纳米更小的电子器 件的分子化 或者说在分子级别上制备和修饰电子器件领域 具有极其深远的意义 将是跨 世纪的重大课题 新材料合成的另一大进展是三元 或三元以上 的金属硫化物层状复合晶体的合成 单 元层之间以非公度的结构形式结合 这种材料在 物理性质上显示 二维特性 它为超晶格材料 的研究提供了新的思路 一些导致材料科学中具有里程碑 意义的无机化学 合成 勿 因 一 夕一 二a Z a m bo n ln R an k ln G e rmany G ermany Italy U S A U S A G erma ny G ermany O xida tio nea talyst 阮l i d eleetrolyte Na Sti l l wel l 佳 一 TIOT a mm an F er r o e le c trle s F r e d e n h a gen M e t a l l ie gr aphit e High ene rgy b a t ter ie s Z r O Z C a R u ff S ue G e r m any 19290 2 s e n s o r liN b 3 Ik Fe12O 一9 V 3S i F r ane e Pi ez o e le c tr le n on U nearo P t i es Ad e l s k o l dS w e d en F err i te m e m o r i es W a l l b a u mG e r m an y A15high te m伴rature sup e r eonduetors 3 2 4 续表 Researeher w ho r ep orte d Subsequent devel opment RE N is A mo印hous5 1 S theti c z e o l it e Ko sMO s LIM o S Z H Z O K P t CN Xo 3 K lement Konig E匕rrer R udo rff G ern lany G e ny E ngl and G e ny K rog m a n n S n M o 0日 E s沐lund M o 氏s MzMo C h s Ch e v r el Am o rp h o u s Pd s iKlem e n t L i3NAIP e n C 0 K r o t o B a z IJa s Cu sO S 3 E进d n orz N orway F ran ee E ngland S w eden Stron gm agn ets S l are e l l M a nye a t alys t s B a t t e rye a th o d e s I J i 二 TIS Z ne dim e ns io na l m eta lsby ox id a t io n S u 详reonduetors w 盆 th h ighfield s S o ftm agn e tie m a t e ria ls F a s t io nie e o n d u e tivity S u p e r e o n d u e t o re te O x id es u p e r e o n d u e tors withhigh t em 伴rature GraPhiti c n u c rotubules IijimaJapan 1991 E leetroniem aterlals WSZ m ierotubul eIsreal s 1992 T isC12Castlem a n J r U 5 A 199 2 El ee tr on i e m ater i a l s El e c t ro n i ea n d e l ee t ro m agnet ie m at er一 als S i o Zyb il lG e rma ny 19 9 2 Ele c t ro n ie s 2 2 制备和修饰工艺的发展 材料科学的发展正朝着微型化 薄膜化 集成化 多功能化直至智能化的方向发展 因 此对材料的制备工艺要求越来越精细 化学制备工艺是成为这一发展趋势的最强有力的推动 因素 因为化学是从原子 和分子级别上制备和修饰材料的 它可以达到制备具有组分均匀 反 应温度低和 反应周期短等目的 所以 与陶瓷高温烧结工艺相比 化学制备法又被称为软化 学工艺 1 目前它已经成为材料制备精细工艺领域 中的先导 2 2 1 化学制备超细粉 作为2 1世纪材料科学热点之一的纳米材料 l 8 它的制备有两条路线 一是机械研磨法 二是化学制备法 显然 化学制备法在缩 短工期 降低 能耗以及制备均匀的高质量的纳米材 料方面 其优越性远胜于前者 现在 纳米材料的化学制备主要 有溶胶凝胶法 有机金属化 合物的热裂解法 溶液沉淀法以及化学气相沉积法等等 1992 年美 国化学家2 1 0 1 0 将纳米 下 F e ZO 制备于 聚合物基体材料中 发 现 了与 丫一 F e 2 0 块体材料完 全 不同 的光学透明特性 9 显示 了化学制备工艺在纳米相材料研究中潜在的应用前景 2 2 2 化学制备薄膜材料 利用溶胶凝胶法以及其它湿化学法制备薄膜材料 具有其它物理方法无法比拟的优点 易 325 于控制组分 易于制备大面积的薄膜 所制备的薄膜组分均 匀 工艺周期短 成本低 特别 是制备温度低 使薄膜能很好地与集成元件兼容 z 0 因此 化学制膜在材料的集成化方面具 有广 阔的 应用前景 2 2 3 纳米加工 更精细的制备和修饰工艺是以扫描隧道显微技术为基础发展起来的纳米加工工艺 z l 它 作为 一种在纳米级制备和修饰材料的新工艺 在理论和实际应用 上都依赖于化学反应动力学 以及表面 和界面化学的研究 因为纳米织构材料的稳定性和可靠性实质上就是由原子或分子 在 纳 米范畴内的反应活性来决定的 尽管纳米 加工距离工业应用还有一段路程 材料化学家 利用其 自身的优势 正在开展这一领域的研究 最近 美国一个由化学家 物理学家和工程师 组成的研究小组已经成功地制备了纳米电致机动器件 为其工业应用逐步奠定基础 2 2 199 2 年美 国 加州大学的化学教授 P e nn er 利 用 扫描隧道显微技术制备出 了世 界上最小的电池 70 nm z 2 这些尚处 于实验室阶段的成果正预 示着2 1世纪的发展方向 2 2 4 物理场化学制备工艺 化学制备工艺发展的另一大特点就是磁 场化 学 微波化学 超声化学和微重力场化学等 物理场化学在材料科学 中的应用 磁场化学的基本原理就是 由于参加反应的原子或原子团处 在磁场中 如果含有未成对 的电子 则这些未成对电子的 自旋态 必然受到磁场的影响 从而 影响 到反应体系的有序和无 序结构 导致反应产物结构特征 和性能的变化 z s 微波化学 的基本原理就是 一 定功 率和频率的微波辐射 与反应物藕合造成快速升温 使 化学反应在瞬间 以分 为单位计 完成 通 过 反应物与微波辐射的藕合作用 可以达到 良好 的反应选择性如 超声化学的基本原理就是 利用超声 空化 能量加速和控制化学反应 提高反应速率和诱 发新的化学反 应陈 微重力场化学的基本原理就是 在空间微重力场中 热传导中的对流大为减小 反应物 的表面张力十分均匀 因而化学 反 应不受地球重力场的影响哪 这些新的制备工艺在快速制备复合功能材料 梯度功能材料 智能材料 超强材料和其 它 高 技术材料方面具有深远的理论 意义和 应用前景 2 3 表征方法的革新 对于材料结构的 表征 是材 料化学一个重要 领域 材料的缺陷化学 晶体化学 化学热力 学 和 反应动力 学 表 面和 界面 化学等方面 的研究 是了解结构与性能关系的重要环节 是开 发材料晶 界和 界面工程的基础 目前 除不断开发和完善各种新的分析测试和表征仪器 如 扫描 隧道显微镜 原子力显微镜 分析电子显微镜和高分辨电子显微镜以及场离子显微镜等 之外陌j 表 征方法的一 个重 要革新方向就是原位 动态 研究 原位研究即是在温度和化学 环境 发 生变化的情况 下直接观察化学键 化学反应 晶体结构 微结构和物理微畴的变化 以 及这些变 化 对物理性能的 影响 现 在 原位表征方法几乎遍及所有的表征仪器 如原位高分 辨电子 显微镜 原位扫描隧道显 微镜和原位红 外光谱仪和R am a n光谱仪等 它对于深刻认识 材料的结构与性能 的关 系 并 为新材料 的开发 利用起着极其重要的作用 3 材料化学的展 望 化学与材料科学的联系 始终都是密切的 近十年来材料化学的发展则是现代材料科学发 326 展的必然结果 作为材料科学研究的 一个前沿领域 材料化学家们肩负着发现和合成具有特 定结构特征和物理性能新材料的重任 充 当着材料科学研究的开路先锋 材料化学 中的材料 开发已不是只停留在科学的偶然发现阶段 它意味着有目的的设计 合成 制备和修饰以及 表征新材料 比如 1994 年美国哈佛大学化学系教授B a r ro n 在分子水平上设计并制备了一种 新型的晶体管材料及其晶体管 以用 于高速低电压的电子元器件中嘟 尽管这类研究还只是 一个开端 但是通过材料化学实现在原子和分子水准上设计 合成 制备和修饰以及表征新 材料 这一重要的发展趋势却变得愈来愈明显 作为2 1世纪材料科学 的前沿领域 材料化学在新材料的合成 纳米材料的制备和 加工以 及分子电子材料和其他高科技材料的研究和开发方面可望取得突破性的进展 材料化学不仅 仅是材料科学一个极其重要的分支学科 而且是它的先导 学科 可以预 见 在原子和分子水 准上度量材料 将是2 1世纪材料科学的主流 参考文 献 l 萧小月 徐燕 李龙土等 寻找新材料 来自宇宙化学的启示 见 中国科协第二 届青年学术年会执行委员会编 材料科学技术进展与展望 北京 中国科学技术出版社 1 99 5 6 1 一6 5 2P im entel G C e d 加portunitiesinC hem istry W ashington National AeademyPress 1 98 5 Ch apter 3 3 4 44 3Ewi n g RC N a vrot s k y A E a rt hm a te r i a l s M RSB u l l e t in 1992 17 5 19 4 W arren J L G e b a l l e TH R es e a re h o p即rtunit l esin newenergy一 r elat ed m ater la ls M a t e r s c iE ng 198 1 50 14 9 SE沁dn o rzJ G M u l l e r KA P oss i blehigh T c su 伴reonduetlvity 一 nthe B a 一 I a一Cu一0 syste m 2P h ys B 19 86 64 18 9 6 S h en g ZZ H er m an n A M B u l k su 咪reonduetlvlty at 12o Kin theT I一C a B a 一 C u一 O syste m N at u r e 1988 33 2 6 16 0 1 38 7N e l so n Dz w hi t t i n g h a m M s G eor g e TF e d s Ch e m l s tr y o fH lg h 一 T e m pe r a t盯esupereonduetors W ashingto n A merlean C he而eals l ie ty 19 8 7 45 57 8K roto H W H e a lth J R O B r i en SC eta l C 一 buekml nsterfL 一lle r e n e e N a t u r e 1985 3 18 6042 62 9K r a t s chm er W I Ja mbl D F ort i ro 卯ulosK eta l S o l一dC 6 一 a new formofearb on Nature 9 90 347 6291 354 10 K roto H W Fish er JE C ox DE e d s Th e F u l l e re ne s N e wY or k P e r g a m o n P re ss 19 93 11 Iiji m a 5 H e l i ea l m i er otu b u l eso f g r a p hi tleear b o n N at ure 1991 354 634 8 5 6 12T e nne R M a rgu l i s L G e nut M eta l P o lyh e d ra l an d ey l一 nd rie a l s t r u e t u r e so f tL一ngsten d lsu lph 一de N at ur e 1992 360 6 403 444 1 3Ch en ZY W a ld er G J C a st l e m a n A W J r G enerat一 ono fm et a llo c a rbo h e d r e n eelust e r fr om t一 ta n ium a n d graph ite p o wde r s J Phy s Ch em 1 99 2 96 23 9581 1 4 Z y bi l lC 51 6 0 anana lo g ueo fC 6 o A n g ew Ch e m I nt EdE n g l 1992 3 1 2 173 1 5R a m a s e s h a 5 E xt en d e d m o l eeu l a r e l e e tronl e m at erl a l s I n R a o CNR e d Ch e m 一 s t ryof Ad v a n e ed M a terials C a mb ridge Bl a e k w e ll段一 e ntifieP u b ll e at io n s 1 993 23 7 265 1 6Ch en BH Eiehh orn B P en g Jl e t a l S u p e re n d uet一v一 ty一 nthe A J Nb S 21n tere ala tio ne o m p e u n d s A C s Rb J S o l id S t a te Ch e m 1 993 103 3 07 17 R a o CNR G o p a l a k r一shn n a n J S yn the s ls o f eo m ple x m e ta l x 一 d es by n o vel routes A e e Ch e mR es 1987 20 6 2 2 8 18 Ch a k ravo r ty D Gi r iAK N an o m a ter la l s I n R ao C N R ed Ch e m l s t r y o f A d vane e d M ater i a l s C a mb r idg e B l ae kw e l l S c ie nt if le P u bli eat lon s 1993 2 17一2 35 19 2 1010RF G ia nne h s EP W e i nst el n BA eta l M atr一 x一m e d 一ate d syn t h e s lso f n a n o c rystalline 丫一Fe Z 3 一anewoptieal ly transparentmagnetl emater一 als 反 一 e nee 1992 257 2 19 20 Xi ao X Zh ou J 1 1 1 eta l P r o c essin g a n dm lcr o s truetur e o f 50 1 一ge l d e r一 ve dPb Z r Ti 3 t h l n fi l m s I n Zh ou Z Xi ao X P a n W e d s Th e Sio n一 S w ede n W o rkshopo n F lne C era mie s 玫i 一i ng T s一 n gh u a U n一ve rs ityP r e ss 1 993 8 7一93 2 1白春礼 郭军 STM在物质表面结构研究中的应用进展 化学进展 199 2 8 l 327 今自几JA 曰 q 自Q 自 25 26 27 28 LIW V i rte ne n J A P e nner R M A n a n o m e te r一鱿目e g a l v a z u e eel i JP h C hem 199 2 96 16 6 529 C r o w J E Pa rki n D M S 心van N 5 Material s s cieneei n h i g hn La gneti c f iel d s MRS Bul leti n 1993 1 8 8 1 7 X u Y Xi a o X A e ee l e rat e d 而erowav e s the s 认of几I a gne s i ums u任 ide w ithth e 沐 一he a t i n g m e d ium o f aphite J M ater Res 1 9 95 1 0 2 334 M a s o n T J e d S o n o c h e n u s t耳 T h e U s e s of U lt r a s o und in C hen u s t叮 C a m br id罗 Roy目 S又ie ty of C he而st斗 19 9 0 Ch apte rs l 2 9 1 0 11 S tr a u b J Nits ch e K I s o c h o r i c h e a t c a砷eit yC V at the er iti cal卯intofSF u n d e r n u c r o a nde a rth一乎av ity F l n i d P ha s e Equi l ibr ia 1993 88 183 N e wb u r y DE M ie r o a n a l ysi s ton a n 以切习ysi s m e a s u r in ge o mp o s iti o na th i g h s 孙ti alre s o lution Nanote chn o10gy 1 99 0 1 1 0 3 伪gan i R Newtra n sistor el aS S 15bas e donGaS G a A s C各 E N 1 9 94 72 12 8 DEVEL O P M ENT O F M ATERIAL SCH E M ISTRY X 姗 X砚O 理 X u Y a t G u iZh江u 凡 L Z刁 g t u Z h a n g X o e p a rt m ento f M ate ria ls s c ie n e e a n dE n g in e e rin g t o e p art m en t o feh e m i str y T s ingh ua u n i vers ity ABSTRACT M a te