材料化学第1章绪论.ppt

1、材料化学导论西北大学本科化学类各专业核心平台课程刘刘 斌（基地、应化）斌（基地、应化）刘晶晶（材化、化学和化生）刘晶晶（材化、化学和化生）纳米热！超导热！新材料热！化学学生学点材料知识有好处！本科程从材料的组成、结构、性能和应用的关联角度介绍材料，化学味浓！结构味浓！本课程为化学类各专业核心平台课程，学时36，学分2。好好听完每一节课，课后做做习题，随即点名，3次不到取消考试资格。课程结束考试采用笔试方式，占8070。开场白教材下载：西北大学教育教学精品课程西北大学精品课程 第六批精品课程化学材料及实验 材料化学导论讲义，word文档 材料化学导论教案，ppt课件第1章 材料化学绪论What何

2、为材料？一个不是问题的问题一个不是问题的问题。Why为何学习本课程？Way or How怎样学习？什么叫材料？国外2部大型辞书对材料的定义：1 材料的定义、分类和作用Longman Dictionary：anything from which something is or may be made。Oxford Advanced Learner English-Chinese Dictionary：that of which something is can be made or which something is done。牛津高级英汉学习词典说：用来制作某种物件或完成某种事情的东西称作材

3、料Langman词典说：能够或可以用来制作某种物件东西称作材料国内大型辞书辞海：人们把自然界经过开采而获得的劳动对象称为原料。自然界自然存在而未经过人类任何劳动输入的就不能称为原料。例如，开采出来的矿物是冶金的原料，种植出来的小麦是制造面粉的原料，单采掘工业中就没有原料。在加工工业中，一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为原料，把经过工业加工的原料（如钢铁、水泥）称为材料。材料和原料合称为原材料。辞海定义可以总结为：经过人类劳动而取得的劳动对象称为原料，经过二次加工的原料称为材料。上述定义的欠缺及使用不便共性 3个定义都指出了：材料是用来制作某种物件或完成事情。差异 两种英文定义均未能指出材料

4、使用过程中本质方面的变化。辞海的定义虽然阐明了原料和材料之间的联系和区别阐明了原料和材料之间的联系和区别，但也没有指出材料在使用中本质的变化。使用这些定义在实际中带来不便：化工品烧碱(NaOH)？按定义应是材料，但类似不胜枚举的化工产品都是原料。来自采掘工业的沙石、木材等等？按定义似乎应是原料，习惯上将其归入建筑材料。思考？食盐在加工中失去了其原质。烧碱在应用于其它化工加工过程时，也要失去原质。所以，食盐和烧碱一般都看作是化工原料。原料在加工中一般均失去了原质。怎样定义材料？借助两个英语词组来说明材料的含义：“made of”指构成或制成物品后，其物质的原质没有发生变化；“made from”

5、指构成或制成物品后，其物质的原质已经发生变化，即失去了原质。在辞海定义基础上修改材料定义：经过人类劳动获得的、在进一步的加工过程中仍然保持原质的劳动对象称为材料。1.2材料的分类按照材料的化学属性可以分为4类：黑金属，黑金属，有色金属，合金，钢铁，轻质合金有色金属，合金，钢铁，轻质合金单晶形态，单晶形态，多晶形态。烧结成型，制陶工艺。多晶形态。烧结成型，制陶工艺。新型陶瓷材料（新型陶瓷材料（New Ceramics）或精细陶瓷）或精细陶瓷（Fine Ceramics）。）。金属、无机非金属和有机高分子材料有机结金属、无机非金属和有机高分子材料有机结合，分子态材料，杂化材料合，分子态材料，杂化材

6、料无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合材料从材料属性分类以脂肪族或芳香族的以脂肪族或芳香族的C-C共价键为基础结构的共价键为基础结构的大分子组成。一般又分为塑料、橡胶和纤维。大分子组成。一般又分为塑料、橡胶和纤维。按材料的性能分类 以力学性能，如受力形变、脆性断裂和强度等作为应用性能，如制造工具、机器、车辆用的钢铁材料，建筑房屋、桥梁和铁路用的混凝土材料。这些材料都具有抵抗外力作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能。结构材料（Structural material）此概念1965年由美国贝尔研究所的J.A.Morton博士提出，现已被各国材料界重视和接受。其定义是：具有优良的电学、磁

7、学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及相互转化的性能，被用于非结构目的的高技术材料。功能材料（Functional material）对于功能材料，在我国材料界，也有一个普遍使用的名词，就是新技术材料新技术材料。功能材料大都是新材料，又都是应用在新的科技领域，因此冠以新技术材料的头衔，也是当之无愧和众望所归的。新技术材料材料的功能及其示例热学性能热容、热传导、热稳定；光学性能与光的作用、吸光、发光和透光性；电学性能导电、介电和压电性等；磁学性能永磁、硬磁、软磁等；化学性能反应性、催化等；生物功能人造器官、骨骼和牙齿等。举例：弹性材料应用力学性能用于非结构目的属于功能材料；结构陶瓷应用力

8、学性能用于结构目的 属于结构材料；普通玻璃应用光学性能用于结构目的 属于结构材料；耐 火 砖应用热学性能用于结构目的 属于结构材料。金属材料非金属材料高分子材料复合材料金属结构材料金属功能材料新型陶瓷材料特种玻璃塑料橡胶纤维涂料粘合剂工程高分子功能高分子液晶材料纤维增强材料聚合物基复合材料金属基复合材料无机基复合材料分子杂化材料超耐热合金非晶合金轻质合金导电金属形状记忆合金贮氢合金超导合金电气陶瓷工程陶瓷超硬陶瓷敏感元件陶瓷快离子导体纳米陶瓷磁性陶瓷优异机械性能 特种玻璃导电性能玻璃光学性能玻璃耐辐射性能玻璃集成电路材料磁记录材料人工单晶材料（3）混合分类法 先以属性分类，再依功能划分（4）从

9、固体材料的存在相态看固体材料一般说存在单相材料，所谓相就是组成和结构完全均匀的部分，相与相之间存在相界。相可以分为化合物（包括单质）相，属于单组分；对于多组分单相材料，固熔体是最基本的相。实际上，单相单组分材料也不完全等同于化学上的化合物！单相材料多相材料 非金属陶瓷材料由不同的相组成。有机-无机复合材料，增韧高分子材料等。多相材料无机非金属材料无机非金属材料陶瓷材料陶瓷材料 多相材料多相材料氮化硅轴承氮化硅轴承压电陶瓷压电陶瓷氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷矿矿物物玛玛瑙瑙饰饰品品 由数百个乃至上千个原子组成的至少在一维方向的尺度在020nm。因此它属于微观和宏观之间的介观范畴，具有不同于宏观材料的诸多

10、特殊性质！从材料属性看，有纳米金属、纳米合金，纳米氧化物和纳米化合物等；从存在尺度形态讲，有纳米粒子，纳米棒，纳米膜；还有纳米管，纳米器件等。纳米技术采用“自下而上”（bottom up）的思路，以超分子化学（组装技术）和分子电子学（功能分子）为基础正在发展分子器件，而我国科学家的研究走在国际的前端。纳米材料（5）固体材料新的存在形式的两个“奇葩”纳米银粒子纳米银粒子金纳米棒金纳米棒10nm碳纳米管碳纳米管太阳能用晶体硅纳米线材料太阳能用晶体硅纳米线材料冰花状纳米氧化锌晶体冰花状纳米氧化锌晶体分子马达分子马达Molecular motor分子导线分子导线Molecular wires分子开关分

11、子开关Molecular switches分子整流器Molecular rectifirs分子晶体管分子晶体管Molecular transistors分子二极管分子二极管Molecular diodes分子存储器分子存储器Molecular memorizer分子电路分子电路Molecular circuit纳米计纳米计算机算机纳米纳米机器机器纳米线体系纳米线体系 碳纳米管体系碳纳米管体系 有机分子体系有机分子体系 与复合材料存在多相组成不同，有机-无机组分间是在原子分子水平上的复合，结合方式自然是强化学键和弱化学键，已构成了功能杂化材料领域。从80年代开始，日本理部化学研究所山田瑛、雀部博

12、之等人，应用化学中“杂化”（hydrid）概念而提出。指两种以上不同种类的有机、无机、金属材料在原子、分子水平上杂化，从而产生具有新型原子、分子集合结构的物质。这种材料具有许多新性能和用途。无机材料无机材料高分子络合物高分子络合物高分子材料高分子材料金属材料金属材料0维：超微粒子维：超微粒子二维：超薄膜化二维：超薄膜化三维：叠层化三维：叠层化多维、多孔化多维、多孔化一维：朝取向化一维：朝取向化 各向异性各向异性构造机制：离子界面消失，完全结晶化构造机制：离子界面消失，完全结晶化高分子复体高分子复体杂化杂化高分子构成高分子构成杂化材料超微粒化（0D）超薄膜化（2D）多孔化（多D）叠层化（3D）超

13、取向化各向异性（1D）无机材料 高分子材料 金属材料杂杂化化高分子复合体高分子 络合物场调制元件场调制元件存贮元件存贮元件新分子构成新分子构成太阳能电池太阳能电池开关元件开关元件光电元件光电元件光集成电光集成电路路导电材料导电材料磁体磁体液晶液晶非线性光学元件非线性光学元件热敏材料热敏材料高分子催高分子催化剂化剂全息照相全息照相存贮器存贮器有机电池有机电池 电极材料电极材料 分离膜分离膜复合材料铁器材料铜器材料石器材料1.3 材料在社会经济发展中的作用 材料是人类社会赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础。因此，材料是社会进步的物质基础和先导，是人类社会进步的里程碑。纵观人们利用材料的历

14、史，可以清楚地看到，每一种重要的新材料的发展和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，给社会生产和人们生活带来巨大的变化，把人类物质文明推向前进。以石头制造工具。可以划分为旧石器时代（公元前23百万年至约1万年），从原始部落到母系社会；中石器时代（公元前约1万年至78千年）；新石器时代（公元前78千年至6千年）。这期间，我们的祖先以石器为主要工具，在寻找石器的过程中认识了矿石，发明了火，制造了第1种人造材料陶，并在烧陶过程中发展了冶铜术，开创了冶金技术。材料的使用程度是人类社会发展的里程碑 石器时代铁器时代 人类

15、制造和使用第3种人造材料铸铁，嗣后是钢铁工业的迅猛发展，成为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。人类社会发展到20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，作为发明之母和产业粮食的新材料研制更是异常活跃，出现了称之为聚合物时代、半导体时代、先进陶瓷时代和复合材料时代等种种提法。在当前新技术革命涉及整个国际社会的浪潮冲击下，人类进入了一个材料革命的新时代。铜器时代 人类大量制造和使用第2种人造材料“红铜”和“青铜”。“红铜”时代约在公元前45千前年，即原始社会到奴隶社会初期；“青铜”时代约在我国商周时代和私有制建立的前夜。材料的发展过程 在原始社会生产技术水平低下，人类使用的材料只能是自然界的

16、动物、植物和矿物，主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器；第一代为天然材料第二代为烧炼材料 烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称。人类用天然的矿土烧结砖瓦和陶瓷，制出了玻璃和水泥，这些都属于烧结材料；从各种天然的矿石中提炼铜、铁等金属，则属于冶炼材料；在20世纪初期出现了化工合成产品，其中合成塑料、合成橡胶和合成纤维已广泛地是用于生产和生活中。从1907年第一个小型酚醛树脂厂建立，到1927年第一个热塑性聚氯乙烯塑料的生产实现商品化，1930年建立了聚合物概念后，聚合物工业迅猛发展起来，这一领域的进展经历了新型塑料和合成纤维的深入研究（1950-1970年）、工程塑料、聚合物合金、功能聚合物材料

17、的工业化（1970-1980年）、分子设计、高性能、高功能聚合物的合成（1990年）等几个发展进程；第三代材料为合成材料 该技术发展并不满足于现有的材料，近代出现了根据实际需要去设计特殊性能的材料，金属陶瓷、铝塑薄膜等复合材料属于这一类。第四代为可设计的材料 智能材料是近三四十年来研制的一类新型功能材料，它们随时间、环境的变化改变自己的性能或形状，好像具有智能。例如形状记忆合金就属于这一类。第五代为智能材料 从尺度上由宏观进入到微观、介观的单分子、纳米材料，从功能上由一般理化功能进入到智能化，从材料属性由合成化合物进入到天然和合成的生物物质。新一代为未来材料 新材料的每次使用都引起人类社会的巨

18、大变革和生产力革命。18世纪以来世界范围内的生产力变革和技术革命都以新材料使用为龙头。材料与新技术革命第一次技术革命产业革命 始于18世纪的英国产业革命，使得以手工技术为基础的资本主义工场手工业过渡到采用机器大生产的资本主义工厂制度。这场工业革命的物质基础是钢铁材料，而伴随的新技术则是蒸汽机的发明；第二次技术革命电气革命 1879年爱迪生发明了电灯，把电力革命的曙光带给了人类，一系列电气材料相继诞生与广泛应用，产生了巨大的生产力变革；第三次技术革命电子革命 20世纪中叶，新导电、导磁材料和半导体材料的发明和应用，使大规模集成块问世，带来了计算机的广泛应用，以及原子能的利用，大大发展了生产力和科

19、学技术；第四次技术革命 有人说目前正处在第四次技术革命的前夜。这次技术革命以信息技术、新材料技术、新能源技术和生物工程技术为基础。亦有人把材料、能源和信息科学看作是现代科学技术的三大支柱，而材料科学技术称为三大科学技术支柱之首。美国商业部对2000年12项新型技术的估算项目产值/亿美元所占比例/分类先进材料超导材料15005042.11.4新兴材料先进半导体器件数字图象技术高密度数字存储器高功能计算机光电子750401505004021.11.14.214.01.1新型电子与信息技术人工智能柔性集成加工传感技术50200501.45.61.4新型生产系统生物技术医疗与诊断装置150804.22

20、.3新型生命科学技术合计3560100先进材料包括特种陶瓷，陶瓷基和金属基复合材料，金属间化合物与轻合金，先进先进材料包括特种陶瓷，陶瓷基和金属基复合材料，金属间化合物与轻合金，先进塑料，表面改性材料，金刚石薄膜，膜材料及生物材料等。塑料，表面改性材料，金刚石薄膜，膜材料及生物材料等。材料，包括结构材料和功能材料，绝大多数属于固体状态，因而材料科学也就是固体科学。它是研究材料的成分、结构、加工成型、性能及其转化之间相互关系的一门科学。材料的推出过程如下：送至 送至 送至 材料制备 品质鉴定 性能测试 应用 为工艺控制提供数据为工艺控制提供数据 为品质鉴定提供数据为品质鉴定提供数据 提供性能的要

21、求提供性能的要求2 材料科学与材料化学2.1 材料科学与材料化学研发过程 研究构成材料的固体的原子、离子及电子运动和相互作用的一般共性规律，提出各种模型和理论，以阐明固体的结构和性能之间的关系；材料科学门类 研究固体材料中具体的各类固体物质的合成方法、结构和表征、性质测定和应用及其相互关联；解决如何将固体物质制成可以使用的结构材料和器件，使之具有指定的形态(如纤维、薄膜、陶瓷体、集成块等)和规定各种结构和性能，如具有特定的热、力、光、电、声、磁、化(学)和生(物)功能。固体物理学固体化学材料工程学 固体化学或材料化学是新材料诞生的摇篮，是材料科学中的中间链节。化学是自然科学中唯一一门创造新物质

22、的科学。在过去的一个世纪之中，化学家以结构功能关系研究为主线，设计、合成了许多具有各种功能的分子和物质。随着化学的发展，较为完备的合成化学理论和方法、精确的定性和定量分析，尤其是各类结构分析仪器的发展和应用，使得材料化学科学发展到一个新的水平，对新材料的研制和推出起到重要的作用。中间链接固体化学或材料化学用化学理论和方法研究功能分子以及由功能分子构筑的材料的结构和功能关系，使人们能够设计新型材料。合成化学提供的各种化学合成反应和方法使人们可以获得具有所设计结构的材料。在20世纪后期有两个动向：一是具有特定功能的先进材料变得越来越重要；一是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。材

23、料化学中的基本内容 分子结构分子聚集体高级结构材料结构理化性能功能之间的关系 掌握这些关系便可以减少盲目性，增加命中率。还需要建立测定高级结构的方法，研究理化性能和功能与高级结构的关系。合成功能分子与构筑高级结构的理论与方法的研究 如何构筑有序的高级结构是一个新的合成化学问题。或是在合成结构单元的时候如何时期能够自组装成为所需的高级结构；或是在获得功能分子之后，再组装为材料。材料科学发展的化学基本问题本课程的特点及学习方法始终把握材料的组成（结构）-性能-制备-应用的四面体关联。材料材料结构结构性能性能应用应用制备制备结构从理想晶体结构出发，突出材料缺陷化学。材料的性能侧重电性能、光性能和磁性

24、能，注重性能与结构的关联。了解分子材料、杂化材料和纳米材料的发展现状。1苏勉曾苏勉曾固体化学导论固体化学导论北京大学出版社，北京大学出版社，19962申泮文等译，申泮文等译，West著著 固体化学及其应用固体化学及其应用 高等教育出版社，高等教育出版社，19893丁马太丁马太 材料化学导论材料化学导论 厦门大学出版社，厦门大学出版社，19934唐小真主编唐小真主编 材料化学导论材料化学导论 高教出版社，高教出版社，19975.张逢星张逢星 李珺李珺 材料化学导论材料化学导论西大讲义，西大讲义，20096.朱道本主编朱道本主编功能材料化学进展功能材料化学进展，化学工业出版社，化学工业出版社，20

25、057.吴壁耀，张超灿，章文贡等主编吴壁耀，张超灿，章文贡等主编有机有机-无机杂化材料及其应无机杂化材料及其应用用，化学工业出版社，化学工业出版社，2005年年8.刘光华编著刘光华编著现代材料化学现代材料化学，上海科学出版社，上海科学出版社，2000主要参考书主要参考书 材料化学研究最新进展成果展北京大学可逆单分子光电子开关器件北京大学可逆单分子光电子开关器件用单个分子构建电子器件有希望突破用单个分子构建电子器件有希望突破目前半导体器件微小化发展中的瓶颈，目前半导体器件微小化发展中的瓶颈，其中实现可控的单分子电子开关功能其中实现可控的单分子电子开关功能是验证分子能否作为核心组件应用到是验证分子

26、能否作为核心组件应用到电子器件中的关键步骤。在过去电子器件中的关键步骤。在过去20年，年，分子开关被广泛的研究，但仅有的几分子开关被广泛的研究，但仅有的几个单分子光开关器件研究工作都只能个单分子光开关器件研究工作都只能实现单向的开关功能，如何获得真正实现单向的开关功能，如何获得真正意义上的分子电子开关存在着巨大的意义上的分子电子开关存在着巨大的挑战。最近，北京大学化学与分子工挑战。最近，北京大学化学与分子工程学院程学院郭雪峰郭雪峰课题组联合美国宾夕法课题组联合美国宾夕法尼亚大学尼亚大学Abraham Nitzan教授课题组、教授课题组、北京大学信息科学技术学院徐洪起教北京大学信息科学技术学院徐

27、洪起教授课题组及其他合作者协力攻关，利授课题组及其他合作者协力攻关，利用二芳烯分子为功能中心、石墨烯为用二芳烯分子为功能中心、石墨烯为电极成功实现了可逆单分子光电子开电极成功实现了可逆单分子光电子开关器件的构建。关器件的构建。该成果于2016年6月17日在线发表国际顶级学术期刊Science科学上，并申请了发明专利Science 2016，17，1443）中国科学技术大学俞书宏教授中国科学技术大学俞书宏教授课题组首次报道了一种全新的课题组首次报道了一种全新的仿生策略，通过介观尺度的仿生策略，通过介观尺度的“组装与矿化，在预先制备的组装与矿化，在预先制备的层状有机框架上进行矿化生长，层状有机框架

28、上进行矿化生长，模拟软体动物体内珍珠层的生模拟软体动物体内珍珠层的生长方式和控制过程，成功制备长方式和控制过程，成功制备了毫米级厚度的珍珠层结构块了毫米级厚度的珍珠层结构块状材料。所得人工材料的化学状材料。所得人工材料的化学组成和多级有序结构与天然珍组成和多级有序结构与天然珍珠层高度相似，极限强度和断珠层高度相似，极限强度和断裂韧性也可与其相提并论。相裂韧性也可与其相提并论。相关工作发表在关工作发表在Science上，第上，第一作者为俞教授课题组博士生一作者为俞教授课题组博士生茅瓅波茅瓅波.Science,2016,DOI:10.1126/science.aaf8991）中科大仿生新策略：人工

29、合成贝壳珍珠层清华大学发现二维受限SeTe薄膜的强铁电特性近日，清华大学物理系在铁电性研究中获得新进展。由陈曦教授、季帅华助理教授为通讯近日，清华大学物理系在铁电性研究中获得新进展。由陈曦教授、季帅华助理教授为通讯作者的文章作者的文章“Discovery of robust in-planeferroelectricity in atomic-thick SnTe”于于7月月15日在顶级期刊日在顶级期刊Science上发表。文中，作者对原子级厚度的碲化锡上发表。文中，作者对原子级厚度的碲化锡（SnTe）薄膜的晶格结构和铁电性进行了研究，发现了单一的）薄膜的晶格结构和铁电性进行了研究，发现了单一

30、的1个晶胞（个晶胞（1-unit cell，即即1-UC）的限制中的一种稳定的自发的极化。进一步研究发现，）的限制中的一种稳定的自发的极化。进一步研究发现，1-UC SeTe薄膜的铁电薄膜的铁电性转变温度性转变温度Tc，可从本体的，可从本体的98K显著增加到了显著增加到了270K。二硫化钼薄膜可大幅提高海水淡化效率美国伊利诺伊州立大学研究人员在美国伊利诺伊州立大学研究人员在自然自然通讯通讯杂志上发表论文称，他们发现二硫化钼高能材料杂志上发表论文称，他们发现二硫化钼高能材料可更高效地去除海水中的盐分，通过计算机模拟可更高效地去除海水中的盐分，通过计算机模拟各种薄膜的海水淡化效率并进行对比后发现，

31、二各种薄膜的海水淡化效率并进行对比后发现，二硫化钼薄膜的效率最高，比石墨烯膜还要高出硫化钼薄膜的效率最高，比石墨烯膜还要高出70%。据物理学家组织网报道，这种材料只有一个纳米据物理学家组织网报道，这种材料只有一个纳米厚，布满了纳米孔，能够渗漏大量的海水，留下厚，布满了纳米孔，能够渗漏大量的海水，留下盐分和其他成分，达到淡化海水的目的。寻找高盐分和其他成分，达到淡化海水的目的。寻找高效的海水淡化材料一直是个重要问题，该研究论效的海水淡化材料一直是个重要问题，该研究论文作者是伊利诺伊州立大学贝克曼先进科技研究文作者是伊利诺伊州立大学贝克曼先进科技研究院的机械科学与工程学教授那拉亚娜院的机械科学与工

32、程学教授那拉亚娜阿鲁鲁说：阿鲁鲁说：“这项研究为下一代材料的发展奠定了基础。这项研究为下一代材料的发展奠定了基础。”硅纳米管储氢率或高于碳纳米管 美国能源部（DOE）关于氢能汽车技术成为现实的储氢材料系统应该在室温下提供6%的储氢质量密度。世界各国的研究小组都在寻找和试验能可逆吸放高容量的氢气的材料。其中，一种有效的储氢介质就是单壁碳纳米管。然而，碳纳米管目前还不能满足DOE的储氢目标。DOE作出放弃不掺杂金属原子的单壁碳纳米管在未来储氢车辆上的应用研究的一项决定。中国科学家北京化工大学分子与材料模拟研究室负责人曹达鹏的理论研究表明，中国科学家北京化工大学分子与材料模拟研究室负责人曹达鹏的理论

33、研究表明，硅纳米管能够比同结构的碳纳米管具有更高效的储氢率。这将极可能让硅在引硅纳米管能够比同结构的碳纳米管具有更高效的储氢率。这将极可能让硅在引发微电子革命后，又成为氢能源领域的关键材料。发微电子革命后，又成为氢能源领域的关键材料。分子马达的仿生组装取得新进展 中科院化学所胶体、界面与化学热力学院重点实验室的研究人员在旋转分子中科院化学所胶体、界面与化学热力学院重点实验室的研究人员在旋转分子马达的分子仿生组装方面取得新进展，研究人员借助共价键作用利用层层组装马达的分子仿生组装方面取得新进展，研究人员借助共价键作用利用层层组装技术制备了中空血红蛋白微胶囊，然后在蛋白微胶囊上组装了含技术制备了中

34、空血红蛋白微胶囊，然后在蛋白微胶囊上组装了含ATP合酶的脂合酶的脂质体，从而将分子马达组装到血红蛋白微胶囊表面。利用葡萄糖氧化酶对葡萄质体，从而将分子马达组装到血红蛋白微胶囊表面。利用葡萄糖氧化酶对葡萄糖氧化水解产生的质子糖氧化水解产生的质子H+，形成了跨膜质子流，为，形成了跨膜质子流，为ATP合酶合成合酶合成ATP提供质子提供质子动力势动力势(质子泵质子泵)。新型固态络合物发光开关 意大利意大利Messina大学的大学的Campagna和和Lanza教授最近研究了一种铂教授最近研究了一种铂（II）二硫代草酰胺络合物固态发光开关。这种固态络合物本无发）二硫代草酰胺络合物固态发光开关。这种固态络

35、合物本无发光特性，但是在盐酸气氛中，产生一个紧凑的离子对，可导致发光。光特性，但是在盐酸气氛中，产生一个紧凑的离子对，可导致发光。这个过程可以通过加热或将样品暴露在氨气氛中，发生逆转。在这个过程可以通过加热或将样品暴露在氨气氛中，发生逆转。在80下加热下加热10分钟，样品可循环至少分钟，样品可循环至少8次，而没有发光强度的损失。在氨次，而没有发光强度的损失。在氨气中暴露气中暴露10次循环后未见原材料的损失。加热或氨气气氛都可导致连次循环后未见原材料的损失。加热或氨气气氛都可导致连接在络合物上的两个接在络合物上的两个HCl分子的缺失，从而起到光开关的作用。分子的缺失，从而起到光开关的作用。单分子

36、器件内的构型束缚和分子内应变分子级电子器件的发展在过去的十年里有了长足的进展，但是理论上预测的电导分子级电子器件的发展在过去的十年里有了长足的进展，但是理论上预测的电导值与实验测量的数值仍有很大差距。造成这种差异的原因之一是很难通过实验的值与实验测量的数值仍有很大差距。造成这种差异的原因之一是很难通过实验的手段确定单分子结的接触构型和构型束缚。手段确定单分子结的接触构型和构型束缚。Hihath等用小振幅、高频率、正弦机等用小振幅、高频率、正弦机械震荡信号来检测单分子结形成过程中分子构型的变化。通过测试响应电流，他械震荡信号来检测单分子结形成过程中分子构型的变化。通过测试响应电流，他们可以确定在

37、室温下溶液中，单分子结最可能的构型。这一工作为表征单分子器们可以确定在室温下溶液中，单分子结最可能的构型。这一工作为表征单分子器件提供了方法。（件提供了方法。（Nature Materials DOI:10.1038/NMAT 4216）用作可见光光催化剂的导体聚合物纳米材料可见光响应的光催化剂能直接可见光响应的光催化剂能直接利用太阳光的能量，因此提供利用太阳光的能量，因此提供了一条解决能源和环境问题的了一条解决能源和环境问题的路径。路径。Ghosh等人发现利用光等人发现利用光聚合制备的一维纳米材料聚合制备的一维纳米材料聚聚（二苯基丁二炔）在可见光下（二苯基丁二炔）在可见光下具有很高的光催化活

38、性，而且具有很高的光催化活性，而且这种催化剂不需要使用辅助试这种催化剂不需要使用辅助试剂或金属共催化剂。作者称他剂或金属共催化剂。作者称他们的发现或许有助于开发用于们的发现或许有助于开发用于自清洁表面、制氢、光伏等方自清洁表面、制氢、光伏等方面 的 新 型 半 导 体 聚 合 物。面 的 新 型 半 导 体 聚 合 物。（Nature Materials DOI:10.1038/NMAT 4220）用于超分子加密的可调固态荧光材料可调的固态荧光材料是用于安全印刷可调的固态荧光材料是用于安全印刷技术的理想材料。技术的理想材料。Hou等报道了一种等报道了一种基于异质轮烷的可调固态荧光材料，基于异质

39、轮烷的可调固态荧光材料，这种材料的荧光颜色可通过超分子间这种材料的荧光颜色可通过超分子间可逆的聚集行为来控制。这种荧光材可逆的聚集行为来控制。这种荧光材料的动态性质是基于复杂的化学平衡料的动态性质是基于复杂的化学平衡过程，荧光颜色与荧光材料和纸的化过程，荧光颜色与荧光材料和纸的化学组成相关。将这一体系应用到荧光学组成相关。将这一体系应用到荧光防伪油墨中，信息可以被隐藏在彩色防伪油墨中，信息可以被隐藏在彩色图片中，很难被发觉。作者称这一技图片中，很难被发觉。作者称这一技术可以被用来保护重要信息方面。术可以被用来保护重要信息方面。（Nature Communications DOI:10.1038

40、/ncomms 7884）技术驱动纳米膜的层层组装对很多材料加工过程来说，多种材料对很多材料加工过程来说，多种材料沉积形成薄膜是非常重要的。层层加沉积形成薄膜是非常重要的。层层加工过程包括连续将两种或多种材料以工过程包括连续将两种或多种材料以物理方式沉积起来。物理方式沉积起来。Richardson等就等就制备多层薄膜的技术和材料撰写了一制备多层薄膜的技术和材料撰写了一篇综述，主要包括连续涂拉法、喷射篇综述，主要包括连续涂拉法、喷射法和电化学沉积法。尽管有很多种沉法和电化学沉积法。尽管有很多种沉积方法和材料，但这些技术大多局限积方法和材料，但这些技术大多局限于在实验室中使用，很难推广至工业于在实

41、验室中使用，很难推广至工业生产。不过，由于多层材料有很大的生产。不过，由于多层材料有很大的空间来调节其结构和性能，因此仍受空间来调节其结构和性能，因此仍受到广泛关注。（到广泛关注。（Science DOI:10.1126/science.Aaa 2491）步合成苯乙烯铑催化剂塑料杯、泡沫、塑料餐具等这些日常用品均是由聚苯乙烯制成的，而聚苯乙烯的塑料杯、泡沫、塑料餐具等这些日常用品均是由聚苯乙烯制成的，而聚苯乙烯的原料是苯乙烯。这些商用化学品的生产规模巨大，因此生产成本对合成效率非常原料是苯乙烯。这些商用化学品的生产规模巨大，因此生产成本对合成效率非常敏感。目前的工业上以苯和乙烯为原料合成苯乙烯

42、需要三步化学反应。敏感。目前的工业上以苯和乙烯为原料合成苯乙烯需要三步化学反应。Vaughan等报道了一种一步法合成苯乙烯的反应，这个反应以铑为催化剂，以一种可循环等报道了一种一步法合成苯乙烯的反应，这个反应以铑为催化剂，以一种可循环使用的铜盐为氧化剂。虽然这类反应的速率比较慢，但却证明了一步法合成的可使用的铜盐为氧化剂。虽然这类反应的速率比较慢，但却证明了一步法合成的可行性。（行性。（Science DOI:10.1126/science.Aaa 2260）通过精确控制位点相互作用来组装形成大四面体结构自组装行为通常发生在不同的分子自组装行为通常发生在不同的分子片段通过共价键被强迫联在一起的

43、片段通过共价键被强迫联在一起的时侯。表面活性剂和嵌段共聚物是时侯。表面活性剂和嵌段共聚物是两个常见的例子。两个常见的例子。Huang等将四种等将四种组分有微小差异的纳米颗粒连接到组分有微小差异的纳米颗粒连接到同一个四面体结构的分子中心。由同一个四面体结构的分子中心。由于纳米可以组成不同，这个大分子于纳米可以组成不同，这个大分子自组装形成有序排列的超分子结构。自组装形成有序排列的超分子结构。这种结构具有更高的配位数，而这这种结构具有更高的配位数，而这种性质一般只有球型分子堆积才会种性质一般只有球型分子堆积才会有。（有。（Science DOI:10.1126/science.Aaa 2421）纳

44、米机械谐振器中的声子计量和强度干涉在光学器件中，捕获并检测单光在光学器件中，捕获并检测单光子的能力非常有用，例如可以实子的能力非常有用，例如可以实现活体器官的动态成像和量子通现活体器官的动态成像和量子通讯等。最近，讯等。最近，Cohen等人使用光等人使用光探针和单光子检测法研究了硅纳探针和单光子检测法研究了硅纳米机械谐振器中的声波发射和吸米机械谐振器中的声波发射和吸收过程。由于光与机械运动耦合收过程。由于光与机械运动耦合的增强作用，这种高效的声子计的增强作用，这种高效的声子计量技术具有量技术具有0.89的噪声等效声子的噪声等效声子灵敏度。作者称，这个技术的进灵敏度。作者称，这个技术的进步可以扩

45、大量子态工程的研究范步可以扩大量子态工程的研究范围。围。（Nature doi:10.1038/nature 14349）材料化学研究最新进展成果展置换层间分子制备高效钙钛矿电池本文报道一种沉积高质量本文报道一种沉积高质量FAPbI3薄膜的方法，利用薄膜的方法，利用PbI2层间的二层间的二甲亚砜甲亚砜(DMSO)分子和甲脒碘直分子和甲脒碘直接进行置换接进行置换(intramolecular exchange process，IEP)，能够获，能够获得得(111)取向、大晶粒、表面平整、取向、大晶粒、表面平整、没有没有PbI2残留的残留的FAPbI3薄膜，电薄膜，电池最高效率超过了池最高效率超过了20%。器件结。器件结构为构为FTO glass(导电玻璃导电玻璃)/bl-TiO2(致密层致密层)/mp-TiO2(介孔层介孔层)/perovskite/PTAA(聚三芳胺聚三芳胺)/Au的的n-i-p结构，截面如下图所示：结构，截面如下图所示：Science DOI：10.1126/.aaa9272国际著名学术刊物