材料科学中的化学

1、材料科学中的化学最活跃的领域之一，也是未来最有可能取得突破性最活跃的领域之一，也是未来最有可能取得突破性进展的领域之一。进展的领域之一。 1. 超导材料与应用技术2. 纳米材料3. 光电信息材料4. 特种功能材料5. 高性能结构材料 摘自, 科学技术文献出版社(2008)纳米科学纳米科学何谓纳米何谓纳米 ？ 纳米纳米1nm109m 十亿分之一米。十亿分之一米。 氢原子半径的氢原子半径的27倍。倍。 头发直径的十万分之一。头发直径的十万分之一。纳米化学和纳米技术纳米化学和纳米技术 纳米：单位纳米：单位 1102 nm 1nm= 10 -9 mc=c 键为键为sp2 杂化杂化 1.34 = 0.1

2、34 nm c-c双键为双键为sp3 杂化杂化1.54 = 0.154 nm纳米化学纳米化学是研究原子以上，是研究原子以上，100纳米以下的纳纳米以下的纳米世界中的各种化学问题的科学。是研究纳米体米世界中的各种化学问题的科学。是研究纳米体系的化学制备、化学性质及应用的化学。系的化学制备、化学性质及应用的化学。纳米技术纳米技术是在是在1-100 nm尺度上研究物质的特尺度上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性和相互作用的性和相互作用，以及利用这些特性和相互作用的新技术。新技术。纳米材料的特性纳米材料的特性 在纳米尺度上的物质由于比表面效应、界面效应、量子在纳米尺度上的物质由于比表面效应、界

3、面效应、量子尺寸效应和宏观量子效应等作用，尺寸效应和宏观量子效应等作用， 具有既不同于宏观物具有既不同于宏观物体，也不同于单个原子、分子的体，也不同于单个原子、分子的奇异性质。奇异性质。利用纳米技术，人类可以根据自己的意愿以原子或分子为利用纳米技术，人类可以根据自己的意愿以原子或分子为起点进行设计和组装，制造具有起点进行设计和组装，制造具有特殊功能特殊功能的产品的产品. 纳米技术纳米技术是人类认识和改造世界能力的是人类认识和改造世界能力的重大突破重大突破, 始于始于20世纪世纪80年年代，并于代，并于90年代获得了长足的发展，预计将引发一场年代获得了长足的发展，预计将引发一场新的新的技术与产业

4、革命。技术与产业革命。碳纳米管的独特结构与性能碳纳米管的独特结构与性能1. 金属性和半导体性金属性和半导体性2. 高机械强度：大于钢高机械强度：大于钢100倍，倍，1/6重量重量3. 高长径比高长径比: 103数量级数量级4. 高比表面高比表面: 400-500m2/g5. 化学惰性化学惰性电：导体变成绝缘体电：导体变成绝缘体磁：磁：20nm20nm之磁铁的磁性是之磁铁的磁性是 大块的大块的10001000倍倍表面效应表面效应表面粒子受力与体相不同，表面粒子能量高表面粒子受力与体相不同，表面粒子能量高 分子在液体表面和内部受力示意图分子在液体表面和内部受力示意图空气单层水水水水油水水油纳米胶束

5、（团）纳米胶束（团） 表面活性剂表面活性剂 两亲分子两亲分子水包油胶束（5100nm）油包水胶束（36nm）黑点为固体油脂，黑点为固体油脂，桔红色为衣物，桔红色为衣物，火柴形为洗涤剂分子火柴形为洗涤剂分子洗涤过程的净化机理洗涤过程的净化机理纳米技术应用举例纳米技术应用举例 例如：例如： 普通陶瓷材料：脆，韧性差，强度差。普通陶瓷材料：脆，韧性差，强度差。 纳米陶瓷材料：这些性能都将大大被改纳米陶瓷材料：这些性能都将大大被改 善与提高。善与提高。 耐高温：日本一研究机构合成一种新合耐高温：日本一研究机构合成一种新合 金金,可耐近可耐近4000 0c的高温，的高温， 金属金属 w 融点融点 340

6、0 0c（氧化）（氧化） 耐酸碱： 有很优良的物理性能 耐热冲击性好 13000c冷水不裂， 化学稳定性好，高温下强度依然相当好。化学稳定性好，高温下强度依然相当好。 三. 环境科学中的化学地球面临的三大问题： 气候变暖 环境污染 能源危机 由于化学引起的污染要由由于化学引起的污染要由化学自身来解决化学自身来解决。 全球暖化的成因 200年工业革命所排放的废气。 为发展畜牧业，种植饲料和经济作物而砍伐森林。 运输业（海、陆、空）排放二氧化碳和甲烷。 畜牧牛只产生的屁和粪便。令人惊讶的事实令人惊讶的事实 联合国联合国20062006年报告指出：全球排放二氧化碳最多的并非年报告指出：全球排放二氧化

7、碳最多的并非 人类而是人类而是牛只牛只！ 几乎几乎20%20%的二氧化碳排放来自畜牧业。的二氧化碳排放来自畜牧业。 每头牛一年所排放的二氧化碳相当于一辆汽车跑七万公里每头牛一年所排放的二氧化碳相当于一辆汽车跑七万公里的排放量。的排放量。 牛群的屁和粪便所排出的污染气体有牛群的屁和粪便所排出的污染气体有100100多种。氨排放量多种。氨排放量占全球总量的三分之二。占全球总量的三分之二。 甲烷的排放量占全球总量的三分之一。令地球暖化速度比甲烷的排放量占全球总量的三分之一。令地球暖化速度比二氧化碳快二氧化碳快2020倍。倍。 牛只消耗水源。乳牛分泌牛只消耗水源。乳牛分泌1 1公升牛奶，首先消耗公升牛

8、奶，首先消耗990990公升水。公升水。三废排放三废排放轻工业如印染、造纸、皮革等，轻工业如印染、造纸、皮革等，以及信息产业的核心芯片制造以及信息产业的核心芯片制造业等也是重要的污染源。化学化业等也是重要的污染源。化学化工是一把工是一把双刃剑双刃剑，没有严格控制，没有严格控制三废排放的石化和化工厂是重要三废排放的石化和化工厂是重要的污染源，而三废的治理，使之的污染源，而三废的治理，使之无害化，也必须依靠化学和化工无害化，也必须依靠化学和化工工。工。 对策绿色化学是以绿色化学是以“与环境友好与环境友好”为基础和出发点提出新为基础和出发点提出新的的化学问题。对策如下：化学问题。对策如下： “原子经

9、济性原子经济性”来评估化学反应的效率来评估化学反应的效率 发展高选择性，高效的催化剂发展高选择性，高效的催化剂 简化反应步骤，减少污染排放，开发新的合成工艺简化反应步骤，减少污染排放，开发新的合成工艺 洁净反应介质的开发利用如超临界流体，水为介质洁净反应介质的开发利用如超临界流体，水为介质, 或离子液体的应用或离子液体的应用 用无毒，无害的化合物替代有毒，有害的化学品用无毒，无害的化合物替代有毒，有害的化学品化学反应中的新概念化学反应中的新概念原子经济性原子经济性 原子经济性原子经济性（atom economy）是在是在 19911991年由年由trosttrost首先提出的，即在化学反应过程

10、首先提出的，即在化学反应过程中有多少原料的原子进入到所需的产品中。中有多少原料的原子进入到所需的产品中。 理想的原子经济反应要求原料分子中的原理想的原子经济反应要求原料分子中的原子百分之百地变成产物，不产生副产物或子百分之百地变成产物，不产生副产物或废物，实现废物的废物，实现废物的“零排放零排放”。 原子经济反应是既充分利用参与反应的每个原子，又采用无毒无害的溶剂、助剂和催化剂，生产出环境友好产品，从源头消除污染。从源头消除污染。 ch2chch3+ h2ch3ch2ch3ph3p+mebr碱ph3pch2r2-c=or1r2-c=ch2r1+ ph3powittig 反应：原子利用率只有反应

11、：原子利用率只有4%，反应产生大量废物。，反应产生大量废物。原子经济反应举例：不是最好的例子。原子经济反应举例：不是最好的例子。低碳生活 “低碳生活低碳生活”(low-carbonlife)，就是在生活的细节，就是在生活的细节上注重节能减耗。也就是指生活作息时所耗用的上注重节能减耗。也就是指生活作息时所耗用的能量要尽力减少，从而减低碳，特别是能量要尽力减少，从而减低碳，特别是二氧化碳二氧化碳的排放量，从而减少对的排放量，从而减少对大气大气的污染，减缓的污染，减缓生态生态恶恶化，主要是从化，主要是从节电、节气和回收节电、节气和回收三个环节来改变三个环节来改变生活细节。生活细节。低碳生活代表着更健

12、康、更自然、更安全的生活，低碳生活代表着更健康、更自然、更安全的生活，同时也是一种低成本、低代价的生活方式同时也是一种低成本、低代价的生活方式 。臭氧可分解有害化合物5o3 + 2cn- + h2o5o2 + 2hco3- + n2o3 + cn-o2 + cno-o3 + c4h2cl2o4pso42- + clo3- + h2o + co2(ddv)o3 + c5h12no4psso42- + po42- + h2o + co2 + n2四. 计算机与化学化学对电子学革命曾作出巨大贡献: 从真空管到晶体管，以硅为基础制成的晶体管是现代计算机革命的心脏。信息材料: 单晶硅，多晶硅与光纤。单晶硅，多晶硅与光纤。反过来，计算机对化学也产生了深远的影响。用计算机对有活性天然化合物的模拟与改造，进行新分子设计。现代化仪器的控制与实验结果的处理都离不开计算机。新思路新思路 光计算机光计算机 量子计算机量子计算机 分子计算机分子计算机. 单分子电子元件单分子电子元件 100 nm 芯片：美国加利福尼亚大学和惠普公芯片：美国加利福尼亚大