继往开来的化学（材料科学研究动向及其基本化学问题）课件

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1、继往开来的化学（材料科学研究动向及其基本化学问题）医药化工学院：梁华定材料科学研究动向及其基本化学问题一、对新材料设计和研制的要求二、21世纪动向四、分类动向三、材料科学中的基本化学问题五、纳米材料一些新型材料发展一、对新材料设计和研制的要求化学是新型材料的源泉，也是材料科学发展的推动力。20世纪化学家以结构－功能关系研究为主线，合成了许多具有各种功能的分子对新材料设计和研制的要求结构与功能相结合智能型，即敏感和驱动双重性无（少）污染，包括材料本身的无毒，环保，安全等可再生性，要求材料能再生循环使用节约能源长寿命二、21世纪动向21世纪主要工作是如何把功能分子组装成有一定结构的

2、组装体从功能分子到功能材料还有一个必要的环节需要解决两个问题分子及组装体的结构问题分子的合成与组装反应问题20世纪后期有两个动向具有特殊功能的先进材料变得越来越重要高级材料对于特殊物理性质和材料的高级结构的依赖性增加从材料科学独立出来并物理学交叉增加以后，忽视了两个问题一是虽然利用的是物理性质，但都是由化学结构决定的二是不仅分子要用化学方法合成，高级结构也必须通过化学过程来构筑。化学将在以上两方面作贡献三、材料科学中的基本化学问题1、总结20世纪材料化学取得的具大进展，可以证明化学是新型材料的源泉，也是材料科学发展的推动力。20世纪化学研究方法先是针对已有的问题谋求改进，总结已

3、知聚合物的结构，设计新的结构，研究新的聚合反应，又经过不同的单体的选择，找出可行的工艺。2、近年来化学家提出的新型“准材料”不少，高分子电子材料、富勒烯和纳米碳管、自组装单分子层、纳米晶体等，但有两个弱点。（1）缺少基于化学的设计思想。因此，采取大量合成并加大范围筛选的研究模式。一旦发现个别结构，便引起许多人跟踪研究。结果命中率低。近年来，引用组合化学方法大大扩大了化合物库，如建立组合材料库。虽然加快了工作效率，但缺少根据功能与结构关系的深入了解。（2）仅仅基于分子结构与性能关系，缺少对于材料高级结构的认识。多数研究目的定位在功能分子，没有考虑什么样的高级结构才能表现所需的功能

4、。目前正在研究用计算机模拟复杂材料的合成、特性和预计理论最佳结构。不过，没有高级结构的测定以及对于材料结构与功能定量关系的深入了解，计算机就没有设计依据。材料科学中的基本化学问题3、推动材料科学发展的化学基本问题（1）分子结构－分子聚集体高级结构－材料结构－理化性质－功能之间的关系掌握这些关系便可以减少盲目性，增加命中率。（2）合成功能分子与构筑高级结构的理论与方法研究结构单元如何自组装成为所需的高级结构，再组装成材料。（3）分子器件的研究要有实际目标，微流体器件是一种可行可用的手段。模拟生物材料形成过程的基础研究研究历史：开始多从组成上模拟，其后从结构上模拟，但没有模拟生物体

5、内材料组装过程，因而不能有生物材料原有的功能或达不到工作水平四、分类动向1、新型导电材料（1）半导体材料20世纪发现了纯半导体材料硅和锗，混合型半导体化合物如锑化铟、砷化镓，从综合性能看，砷化镓作为半导体材料更为优越，特别是开头速度大千倍。这种芯片做成计算机后，其运算速度将高出千倍。21世纪努力方向是寻找高性能的半导体（2）超导材料1986年4月IBM公司瑞士苏黎世研究实验室的J.G.Bednorz和K.A.Mueller发现镧钡铜的复合氧化物在30K显示超导性，激起超导热。1987年2月，美国休斯顿大学的美籍华人朱经武研制成功YBa3Cu3O7,其转变温度在90K，进入了液氮

6、温度区1988年研制出了转变温度为125K的新型超导材料Tl2Ca2Ba2Cu3O10.1911年荷兰物理学家Heike发现了汞冷却到4K（液氦温度）时具有零电阻，但由于液氦温度的获得成本昂贵且操作不便，让人们失去了应用的信心。1991年有两项重要发展一是有机超导体的临界温度达12.5K一是发现碱金属掺杂的C60也有超导性，临界温度达33K；21世纪的目标是创造各种超导体以提高临界转变温度（1993年俄L.N.Grigorov发现了经过氧化的聚丙烯体系能在300K呈现超导性。）Ti(OC4H9)4Al(C2H5)3H－C≡C－H1000倍催化剂温度1974年日本筑波大学H.Sh

7、irakawa在合成聚乙炔的实验中，偶然地投入过量1000倍的催化剂，合成出令人兴奋的有铜色的顺式聚乙炔薄膜与银白色光泽的反式聚乙炔。10－8～10－7S/m10－3～10－2S/m世界上第一种导电聚合物：掺杂聚乙炔（3）有机导体1975年，G.MacDiarmid、J.Heeger与H.Shirakawa合作进行研究，他们发现当聚乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应(doping)后，其电导率令人吃惊地达到3000S/m。聚乙炔的掺杂反应美国物理学家Heeger美国化学家MacDiarmid