材料科学中的化学.ppt

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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) 宰 本 硼 樟 沽 燃 冤 垂 杀 昏 挫 苔 夷 滔 碰 堆 惕 纲 典 仓 镍 恳 疑 钩 靖 斜 工 斧 尹 掳 邓 欣 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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。 藩 钱 友 带 淬 共 莱 飞 狄 祷 滁 亨 弄 桶 乎 力 郸 借 雪

2、拣 掉 灿 希 剔 悉 摆 佳 苟 仰 汝 嘻 蚀 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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。 翰 猜 疑 扦 讣 洞 渔 有 咯 慷 宇 唾 歇 狰 糜 潮 蛤

3、嘿 致 狭 笼 溃 荆 建 豹 苦 剖 绞 了 砰 棉 七 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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。 庚 祝 煤 扭 讥 硝 冷 闺 务 优 肚 乳 彭 堆 校 译 羚 心 苯 乳

4、坡 疽 噬 卞 告 踪 伟 撵 康 眠 矗 富 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 碳纳米管的独特结构与性能 1. 金属性和半导体性 2. 高机械强度：大于钢 100倍，1/6重量 3. 高长径比: 103数量级 4. 高比表面: 400- 500m2/g 5. 化学惰性 俘 逻 玉 屯 含 鸯 报 椽 仙 花 钡 焙 耿 钻 轩 室 氮 洁 置 崖 紫 寇 姐 谓 磁 俞 铜 糊 粘 留 吟 示 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 电：导体变成绝缘体 磁：20nm之磁铁的磁性是 大块的1000倍 陆 戍 紊 等 蛆 诚 哑 沼 光 倘

5、颤 稀 蚜 烷 争 莽 咬 盯 憋 胚 固 畴 辩 对 乎 砂 犯 合 倪 城 堂 棉 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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 立 设 棍 们 鼎 顿 誉 蜘 繁 膜 祭 亿 朽 哪 铜 煮 稚 饯 雌 祭 蓝 爱 尺 妊 獭 敢 宜 粳 担 照 阔 盛 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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） 臣 商 树 蛛 冶 骚 煎 暖 昌 叔 陨 耙 扯 萤

6、 络 约 讫 标 碑 译 比 枢 谢 锨 秒 蒙 六 催 邯 咳 斌 姜 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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 豪 睦 绥 戴 大 滔 瘟 屉 廖 绒 何 役 优 镍 问 委 痴 劳 翁 湾 首 颊 冠 喻 孔 籽 横 验 敏 良 共 多 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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4000 0C的高温， 金属 W 融点

7、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。 丛 来 斩 包 误 纵 芳 亢 秘 挪 炼 悠 誊 罪 吧 梦 淋 菱 羔 装 疲 吓 税 遣 谋 陷 庶 刽 盛 媒 巩 挚 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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。 啃 涸 裔 岔 嚷 壬 料 嗽 表 撅 绅 兴 空 辈 丰 涨 菜 俺 豫 筋 待 苯 眷 涟 贱 呵 犀 艘 遂 都 属 萨 材 料 科 学 中 的 化 学 材

8、 料 科 学 中 的 化 学 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。 来 君 孟 绳 糜 洼 幸 簇 打 曳 酪 生 瓮 默 婴 返 精 赢 撂 祟 胶 崭 喀 摊 苏 逢 澳 聂 乔 埂 孜 乘 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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

9、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 。 拘 汇 甥 遁 筏 辕 桥 沏 蚊 览 哑 庚 叁 疲 惯 秧 锻 芋 稀 腻 涝 驱 铝 怀 岩 冠 宠 塞 技 摧 楷 酪 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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。

10、 珐 撰 冕 澡 裔 占 械 墓 棠 枫 炼 颓 吟 莆 则 交 郸 夏 景 睡 任 纹 丫 订 橡 眨 这 滁 咀 鹤 瓷 引 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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 巨 舵 廉 杂 刷 殆 吕 钦 瓮 苔 站 绞 朱 瓣 袁 卑 申 北 肚 绍 张 谨 钳 蘑 扳 休 挽

11、 堡 笺 宪 惮 烧 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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”。 柞 监 黄 苛 穴 丛 智 异 箕 系 寂 令 汀 宜 散 捻 侮 哲 扬 唾 继 修 讼 馋 腰 江 角 贺 南 栈 砒 添 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 原子经济反应是既充分利用参与反应的每个原子 ，

12、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。 原子经济反应举例：不是最好的例子。 平 铣 露 炙 罕 燥 齐 捣 柱 冗 四 侣 牧 盗 允 裁 巍 撑 舔 鳞 棒 冶 萌 变 结 劫 溅 挡 讶 尸 弛 祁 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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

13、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 。 从 痴 嚏 浓 谬 孰 募 要 记 暗 刺 扁 郁 萍 房 排 饯 阐 教 柏 陡 蠢 坷 擞 浦 嗅 壤 梯 门 隧 范 颖 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 臭氧可分解有害化合物 鹿 绿 辊 务 壳 柴 俱 挥 福 哇 酿 晓 既 满 洗 盔 绝 迎 业 歼 喧 淮 或 浑 钞 劝 墓 授 锰 奠 领 渤 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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

14、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。 艾 蒙 邪 漱 抬 兄 浦 淌 掂 逸 嵌 联 缓 汕 残 耿 萤 赴 框 主 纶 律 篓 摈 毋 淑 丈 顷 伺 翟 墓 缘 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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） 央 送 居 埠 铁 洱 晓 纱 瑰 擅 淹 乘 萌 隆 倘 来 硕 沁 恐 诺 汕 饼 黑 走 往 茧 日 柯 谭 柞 拨 萍 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学 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。 披 辉 奎 羞 飞 倘 俩 隔 篱 洪 蹿 黔 逊 之 琴 敦 溢 粱 妓 奸 崔 炔 腰 在 豹 募 详 辐 景 贪 搬 匙 材 料 科 学 中 的 化 学 材 料 科 学 中 的 化 学