材料科學(xué)中的化學(xué)

1、材料科學(xué)中的化學(xué)最活躍的領(lǐng)域之一，也是未來最有可能取得突破性最活躍的領(lǐng)域之一，也是未來最有可能取得突破性進(jìn)展的領(lǐng)域之一。進(jìn)展的領(lǐng)域之一。 1. 超導(dǎo)材料與應(yīng)用技術(shù)2. 納米材料3. 光電信息材料4. 特種功能材料5. 高性能結(jié)構(gòu)材料 摘自, 科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社(2008)納米科學(xué)納米科學(xué)何謂納米何謂納米 ？ 納米納米1nm109m 十億分之一米。十億分之一米。 氫原子半徑的氫原子半徑的27倍。倍。 頭發(fā)直徑的十萬分之一。頭發(fā)直徑的十萬分之一。納米化學(xué)和納米技術(shù)納米化學(xué)和納米技術(shù) 納米：單位納米：單位 1102 nm 1nm= 10 -9 mc=c 鍵為鍵為sp2 雜化雜化 1.34 = 0.1

2、34 nm c-c雙鍵為雙鍵為sp3 雜化雜化1.54 = 0.154 nm納米化學(xué)納米化學(xué)是研究原子以上，是研究原子以上，100納米以下的納納米以下的納米世界中的各種化學(xué)問題的科學(xué)。是研究納米體米世界中的各種化學(xué)問題的科學(xué)。是研究納米體系的化學(xué)制備、化學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用的化學(xué)。系的化學(xué)制備、化學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用的化學(xué)。納米技術(shù)納米技術(shù)是在是在1-100 nm尺度上研究物質(zhì)的特尺度上研究物質(zhì)的特性和相互作用，以及利用這些特性和相互作用的性和相互作用，以及利用這些特性和相互作用的新技術(shù)。新技術(shù)。納米材料的特性納米材料的特性 在納米尺度上的物質(zhì)由于比表面效應(yīng)、界面效應(yīng)、量子在納米尺度上的物質(zhì)由于比表面效應(yīng)、界

3、面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子效應(yīng)等作用，尺寸效應(yīng)和宏觀量子效應(yīng)等作用， 具有既不同于宏觀物具有既不同于宏觀物體，也不同于單個原子、分子的體，也不同于單個原子、分子的奇異性質(zhì)。奇異性質(zhì)。利用納米技術(shù)，人類可以根據(jù)自己的意愿以原子或分子為利用納米技術(shù)，人類可以根據(jù)自己的意愿以原子或分子為起點進(jìn)行設(shè)計和組裝，制造具有起點進(jìn)行設(shè)計和組裝，制造具有特殊功能特殊功能的產(chǎn)品的產(chǎn)品. 納米技術(shù)納米技術(shù)是人類認(rèn)識和改造世界能力的是人類認(rèn)識和改造世界能力的重大突破重大突破, 始于始于20世紀(jì)世紀(jì)80年年代，并于代，并于90年代獲得了長足的發(fā)展，預(yù)計將引發(fā)一場年代獲得了長足的發(fā)展，預(yù)計將引發(fā)一場新的新的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)

4、革命。技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命。碳納米管的獨特結(jié)構(gòu)與性能碳納米管的獨特結(jié)構(gòu)與性能1. 金屬性和半導(dǎo)體性金屬性和半導(dǎo)體性2. 高機械強度：大于鋼高機械強度：大于鋼100倍，倍，1/6重量重量3. 高長徑比高長徑比: 103數(shù)量級數(shù)量級4. 高比表面高比表面: 400-500m2/g5. 化學(xué)惰性化學(xué)惰性電：導(dǎo)體變成絕緣體電：導(dǎo)體變成絕緣體磁：磁：20nm20nm之磁鐵的磁性是之磁鐵的磁性是 大塊的大塊的10001000倍倍表面效應(yīng)表面效應(yīng)表面粒子受力與體相不同，表面粒子能量高表面粒子受力與體相不同，表面粒子能量高 分子在液體表面和內(nèi)部受力示意圖分子在液體表面和內(nèi)部受力示意圖空氣單層水水水水油水水油納米膠束

5、（團）納米膠束（團） 表面活性劑表面活性劑 兩親分子兩親分子水包油膠束（5100nm）油包水膠束（36nm）黑點為固體油脂，黑點為固體油脂，桔紅色為衣物，桔紅色為衣物，火柴形為洗滌劑分子火柴形為洗滌劑分子洗滌過程的凈化機理洗滌過程的凈化機理納米技術(shù)應(yīng)用舉例納米技術(shù)應(yīng)用舉例 例如：例如： 普通陶瓷材料：脆，韌性差，強度差。普通陶瓷材料：脆，韌性差，強度差。 納米陶瓷材料：這些性能都將大大被改納米陶瓷材料：這些性能都將大大被改 善與提高。善與提高。 耐高溫：日本一研究機構(gòu)合成一種新合耐高溫：日本一研究機構(gòu)合成一種新合 金金,可耐近可耐近4000 0c的高溫，的高溫， 金屬金屬 w 融點融點 340

6、0 0c（氧化）（氧化） 耐酸堿： 有很優(yōu)良的物理性能 耐熱沖擊性好 13000c冷水不裂， 化學(xué)穩(wěn)定性好，高溫下強度依然相當(dāng)好。化學(xué)穩(wěn)定性好，高溫下強度依然相當(dāng)好。 三. 環(huán)境科學(xué)中的化學(xué)地球面臨的三大問題： 氣候變暖 環(huán)境污染 能源危機 由于化學(xué)引起的污染要由由于化學(xué)引起的污染要由化學(xué)自身來解決化學(xué)自身來解決。 全球暖化的成因 200年工業(yè)革命所排放的廢氣。 為發(fā)展畜牧業(yè)，種植飼料和經(jīng)濟作物而砍伐森林。 運輸業(yè)（海、陸、空）排放二氧化碳和甲烷。 畜牧牛只產(chǎn)生的屁和糞便。令人驚訝的事實令人驚訝的事實 聯(lián)合國聯(lián)合國20062006年報告指出：全球排放二氧化碳最多的并非年報告指出：全球排放二氧化

7、碳最多的并非 人類而是人類而是牛只牛只！ 幾乎幾乎20%20%的二氧化碳排放來自畜牧業(yè)。的二氧化碳排放來自畜牧業(yè)。 每頭牛一年所排放的二氧化碳相當(dāng)于一輛汽車跑七萬公里每頭牛一年所排放的二氧化碳相當(dāng)于一輛汽車跑七萬公里的排放量。的排放量。 牛群的屁和糞便所排出的污染氣體有牛群的屁和糞便所排出的污染氣體有100100多種。氨排放量多種。氨排放量占全球總量的三分之二。占全球總量的三分之二。 甲烷的排放量占全球總量的三分之一。令地球暖化速度比甲烷的排放量占全球總量的三分之一。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。三廢排放三廢排放輕工業(yè)如印染、造紙、皮革等，輕工業(yè)如印染、造紙、皮革等，以及信息產(chǎn)業(yè)的核心芯片制造以及信息產(chǎn)業(yè)的核心芯片制造業(yè)等也是重要的污染源?；瘜W(xué)化業(yè)等也是重要的污染源?；瘜W(xué)化工是一把工是一把雙刃劍雙刃劍，沒有嚴(yán)格控制，沒有嚴(yán)格控制三廢排放的石化和化工廠是重要三廢排放的石化和化工廠是重要的污染源，而三廢的治理，使之的污染源，而三廢的治理，使之無害化，也必須依靠化學(xué)和化工無害化，也必須依靠化學(xué)和化工工。工。 對策綠色化學(xué)是以綠色化學(xué)是以“與環(huán)境友好與環(huán)境友好”為基礎(chǔ)和出發(fā)點提出新為基礎(chǔ)和出發(fā)點提出新的的化學(xué)問題。對策如下：化學(xué)問題。對策如下： “原子經(jīng)

9、濟性原子經(jīng)濟性”來評估化學(xué)反應(yīng)的效率來評估化學(xué)反應(yīng)的效率 發(fā)展高選擇性，高效的催化劑發(fā)展高選擇性，高效的催化劑 簡化反應(yīng)步驟，減少污染排放，開發(fā)新的合成工藝簡化反應(yīng)步驟，減少污染排放，開發(fā)新的合成工藝 潔凈反應(yīng)介質(zhì)的開發(fā)利用如超臨界流體，水為介質(zhì)潔凈反應(yīng)介質(zhì)的開發(fā)利用如超臨界流體，水為介質(zhì), 或離子液體的應(yīng)用或離子液體的應(yīng)用 用無毒，無害的化合物替代有毒，有害的化學(xué)品用無毒，無害的化合物替代有毒，有害的化學(xué)品化學(xué)反應(yīng)中的新概念化學(xué)反應(yīng)中的新概念原子經(jīng)濟性原子經(jīng)濟性 原子經(jīng)濟性原子經(jīng)濟性（atom economy）是在是在 19911991年由年由trosttrost首先提出的，即在化學(xué)反應(yīng)過程

10、首先提出的，即在化學(xué)反應(yīng)過程中有多少原料的原子進(jìn)入到所需的產(chǎn)品中。中有多少原料的原子進(jìn)入到所需的產(chǎn)品中。 理想的原子經(jīng)濟反應(yīng)要求原料分子中的原理想的原子經(jīng)濟反應(yīng)要求原料分子中的原子百分之百地變成產(chǎn)物，不產(chǎn)生副產(chǎn)物或子百分之百地變成產(chǎn)物，不產(chǎn)生副產(chǎn)物或廢物，實現(xiàn)廢物的廢物，實現(xiàn)廢物的“零排放零排放”。 原子經(jīng)濟反應(yīng)是既充分利用參與反應(yīng)的每個原子，又采用無毒無害的溶劑、助劑和催化劑，生產(chǎn)出環(huán)境友好產(chǎn)品，從源頭消除污染。從源頭消除污染。 ch2chch3+ h2ch3ch2ch3ph3p+mebr堿ph3pch2r2-c=or1r2-c=ch2r1+ ph3powittig 反應(yīng)：原子利用率只有反應(yīng)

11、：原子利用率只有4%，反應(yīng)產(chǎn)生大量廢物。，反應(yīng)產(chǎn)生大量廢物。原子經(jīng)濟反應(yīng)舉例：不是最好的例子。原子經(jīng)濟反應(yīng)舉例：不是最好的例子。低碳生活 “低碳生活低碳生活”(low-carbonlife)，就是在生活的細(xì)節(jié)，就是在生活的細(xì)節(jié)上注重節(jié)能減耗。也就是指生活作息時所耗用的上注重節(jié)能減耗。也就是指生活作息時所耗用的能量要盡力減少，從而減低碳，特別是能量要盡力減少，從而減低碳，特別是二氧化碳二氧化碳的排放量，從而減少對的排放量，從而減少對大氣大氣的污染，減緩的污染，減緩生態(tài)生態(tài)惡惡化，主要是從化，主要是從節(jié)電、節(jié)氣和回收節(jié)電、節(jié)氣和回收三個環(huán)節(jié)來改變?nèi)齻€環(huán)節(jié)來改變生活細(xì)節(jié)。生活細(xì)節(jié)。低碳生活代表著更健

12、康、更自然、更安全的生活，低碳生活代表著更健康、更自然、更安全的生活，同時也是一種低成本、低代價的生活方式同時也是一種低成本、低代價的生活方式 。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. 計算機與化學(xué)化學(xué)對電子學(xué)革命曾作出巨大貢獻(xiàn): 從真空管到晶體管，以硅為基礎(chǔ)制成的晶體管是現(xiàn)代計算機革命的心臟。信息材料: 單晶硅，多晶硅與光纖。單晶硅，多晶硅與光纖。反過來，計算機對化學(xué)也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。用計算機對有活性天然化合物的模擬與改造，進(jìn)行新分子設(shè)計?，F(xiàn)代化儀器的控制與實驗結(jié)果的處理都離不開計算機。新思路新思路 光計算機光計算機 量子計算機量子計算機 分子計算機分子計算機. 單分子電子元件單分子電子元件 100 nm 芯片：美國加利福尼亞大學(xué)和惠普公芯片：美國加利福尼亞大