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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 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 何谓纳米 ？ 纳米1nm109m 十亿分之一米。 氢原子半径的27倍。 头发直径的十万分之一。,纳米化学和纳米技术,纳米：单位 1102 nm 1nm= 10 -9 m C=C 键为SP2 杂化 1.34 = 0.134 nm C-C双键为SP3 杂化1.54 = 0.154 nm 纳米化学是研究原子以上，100纳米以下的纳 米世界中的各种化学问题的科学。是研究
2、纳米体 系的化学制备、化学性质及应用的化学。 纳米技术是在1-100 nm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 新技术。,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 尺寸效应和宏观量子效应等作用， 具有既不同于宏观物 体，也不同于单个原子、分子的奇异性质。 利用纳米技术，人类可以根据自己的意愿以原子或分子为 起点进行设计和组装，制造具有特殊功能的产品. 纳米技术 是人类认识和改造世界能力的重大突破, 始于20世纪80年 代，并于90年代获得了长足的发展，预计将引发一场新的 技术与产业革命。,碳纳米管的独特结构与性能,金属性和半导体性 高机械强度：
3、大于钢100倍，1/6重量 高长径比: 103数量级 高比表面: 400-500m2/g 化学惰性,电：导体变成绝缘体 磁：20nm之磁铁的磁性是 大块的1000倍,表面效应 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,空气,单层,水,水,油,水,油,纳米胶束（团） 表面活性剂 两亲分子,水包油胶束（5100nm）,油包水胶束（36nm）,黑点为固体油脂， 桔红色为衣物， 火柴形为洗涤剂分子,洗涤过程的净化机理,纳米技术应用举例,例如： 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 善与提高。 耐高温：日本一研究机构合成一种新合 金,可耐近
4、4000 0C的高温， 金属 W 融点 3400 0C（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。,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,联合国2006年报告指出：全球排放二氧化碳最多的并非 人类而是牛只！ 几乎20%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
5、当于一辆汽车跑七万公里的排放量。 牛群的屁和粪便所排出的污染气体有100多种。氨排放量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。令地球暖化速度比二氧化碳快20倍。 牛只消耗水源。乳牛分泌1公升牛奶，首先消耗990公升水。,三废排放,轻工业如印染、造纸、皮革等，以及信息产业的核心芯片制造业等也是重要的污染源。化学化工是一把双刃剑，没有严格控制三废排放的石化和化工厂是重要的污染源，而三废的治理，使之无害化，也必须依靠化学和化工工。,对策,绿色化学是以“与环境友好”为基础和出发点提出新的 化学问题。对策如下： “原子经济性”来评估化学反应的效率 发展高选择性，高效的催化剂 简化反应步
6、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, 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,化学反应中的新概念原子经济性,原子经济性（Atom Economy）是在 1991年由Trost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。 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，不产生副产物或废物，实现废物的“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。,Wittig 反应：原子利用率只有4%，反应产生大量废物。,原子经济反
7、应举例：不是最好的例子。,低碳生活,“低碳生活”(low-carbonlife)，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能量要尽力减少，从而减低碳，特别是二氧化碳的排放量，从而减少对大气的污染，减缓生态恶化，主要是从节电、节气和回收三个环节来改变生活细节。 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 。,臭氧可分解有害化合物,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。 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,光计算机 量子计算机 分子计算机. 单分子电子元件 100 nm 芯片：美国加利福尼亚大学和惠普公 司研制 功能：一粒沙子大小的芯片可获得相当与现在 100台工作站的能力 轮烷(rotaxane), 环糊精（cyclodextrin）,概念示意图,*有科学家预言：化学的新领域将是制备电子元件，而不是 药物和聚合物。,
