纳米化学、超分子化学及量子化学研究趣谈.doc

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1、题目：纳米化学、超分子化学及量子化学研究趣谈报告人：李欣教授2009年12月13日（星期日）14：00（一校区正心106）1.C60、碳纳米管及石墨烯的研究现状碳是自然界分布非常普遍的一种元素。地球上的生命都是以碳元素为基础的。它已经有了很长的发展历史，为塑料、橡胶和纤维三大合成材料奠定了坚实的基础；也为新-药物的合成奠定了坚实的基础，成了人类健康的保护神。碳元素的最大特点之一是存在着众多同素界形体，如人们熟悉的金刚石和石墨，以C60为代表的富勒烯和碳纳米管等以及最新发现的石墨烯（Graphene）o令人惊奇的是,这些

2、碳材料的特性几乎可涵盖地球上所有物质的性质戻至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光到全透光、绝缘体到半导体到导体、绝热到良导热、高临界温度的超导体等。多壁碳纳米管是1991年曰本的NEC公司基础研究室的电镜专家饭岛澄男博士在真空电弧蒸发石墨电极制备C60的实验产物屮意外发现一维碳材料，1993年，饭岛澄男博士等又发现了单壁碳纳米管；相比而言，2004年由Geim发现的石墨烯来说是最晚的，虽然如此，富勒烯和石墨都可以看作由石墨烯转化来的，因此石墨烯可以看作是其它三种材料的母亲。石墨烯，富勒烯，碳纳米管以及石墨都是碳的

3、同素并形体。石墨是由多层的石墨烯堆积而成的，石墨的层与层之间是由范德华力结合的，而同一网层屮的碳原子是由特殊的单键结合，因此层与层间的距离比同一网层屮碳原子的间距大，石墨的层与层之间是较松散的结构。碳纳米管的主体管部分可以看作是由一部分石墨烯片层卷曲血成，两端各由半个富勒烯封口。碳纳米管屮的碳原子除了sp2杂化外，还有部分的sp3杂化，这样才能呈现出弯曲的管状结构。碳纳米管的有着奇特的导电性质，它会因石墨烯形成碳纳米管时的卷曲方式不同而呈现出金属性和半导体性。石墨烯有着众多的奇特性质，首先单层的晶体能够稳定地存在；石墨

4、烯屮的电子没有质量直接导致了它的导电性能是恒定的；石墨烯在常温下可以显示出：半整数一量子霍尔效应。石墨烯的电子具有自旋量子特性。2.超分子化学技术研究现状“超分子词早在20世纪30年代已经出现，但在科学界受到重视却是50年之后了•超分子化学是关于若干化学物种通过分子间相互作用结合在一起所构成的，具有较高复杂性和一定组织性的整体的化学.在这个整体屮各组分还保持某些固有的物理和化学性质，同时又因彼此间的相互影响或扰动而表现出某些整体功能超分子体系的微观单兀是由若干乃至许许多多个不同化合物的分子或离子或其他可单独存在的具有一

5、定化学性质的微粒聚集而成•聚集数可以确定或不确定，这与一分子屮原子个数严格确定具有本质区别，把多个组分的基本微观单元聚集成“超分子”的凝聚力是一些（相对于共价键）较弱的作用力•如范氏力（含氢键）、亲水或憎水作用等。杂多酸类超分子化合物，杂多酸是一类金属一氧簇合物，一般呈笼型结构，是一类优良的受体分子，它可以与无机分子、离子等底物结合形成超分子化合物.作为一类新型电、磁、非线性光学材料极具开发价值。多胺类超分子化合物，吓财类超分子化合物，树状超分子化合物，液晶类超分子化合物，駄菁类超分子化合物。1.神奇的预测--量子化学

6、应用简介量子化学是理论化学的一个分支学科，是应用量子力学的基本原理和方法，研究化学问题的一门基础科学。1927年海特勒和伦敦用量子力学基本原理讨论氢分子结构问题，说明了两个氢原子能够结合成-个稳定的氢分子的原因，并且利用相肖近似的计算方法，算出其结合能。由此，使人们认识到可以用量子力学原理讨论分子结构问题，从而逐渐形成了量子化学这一分支学科。量子化学的发展历史可分两个阶段：第一个阶段是1927年到20世纪50年代末，为创建吋期。其主要标志是三种化学键理论的建立和发展，分子间相互作用的量子化学研究。第二个阶段是20世纪6

7、0年代以后。主要标志是量子化学计算方法的研究，其屮严格计算的从头算方法、半经验计算的全略微分重叠和间略微分重叠等方法的出现，扩大了量子化学的应用范弗1,提高了计算精度。1928〜1930年，许莱拉斯计算氨原子，1933年詹姆斯和库利奇计算氢分子,得到了接近实验值的结果。70年代又对它们进行更精确的计算，得到了与实验值几乎完全相同的结果。计算量子化学的发展，使定量的计算扩大到原子数较多的分子，并加速了量子化学向其他学科的渗透。量子化学的研究结果在其他化学分支学科的直接应用，导致了量子化学对这些学科的渗透，并建立了一些边缘

8、学科，主要有量子有机化学、量子无机化学、量子生物和药物化学、表面吸附和催化屮的量子理论、分子间相互作用的量子化学理论和分子反应动力学的量子理论等。量子化学主要研究分子屮的化学键问题。它从薛定铐方程式出发研究分子结构。薛定谱方程式是反映微观客体运动方程式，于1927年开始用来研究最简单的分子——氢分子。弄清了两个氢原子所以能结合成一