化学前沿科学

3. 二十一世纪的化学科学在材料、信息、生命和 能源四大领域仍能发挥基础作用。特别是功能材料 和分子器件必须有雄厚的化学基础。

•手性药物和手性技术
– 1992年美国食品和药物管理局FDA（Food and Drug Administration）规定必须说明对映体的情 况。
– 目前药物80%是手性的，60%是单一对映体的。 – 由于药物市场的推动，使得手性合成和手性拆分 得到巨大发展 — 2014年世界药物市场年销售额超过10000亿美元， 国内大部分药物都是仿制药，自行设计和开发的新 药只有100余种。在各行业中属于朝阳产业。国外开 发一个新药平均需要投入15亿美元，10-15年时间。
学科交叉与热点研究领域
• 手性药物和手性技术
– 实例 1. 反应停（孕妇镇静剂）R构型无镇静作用，却 有强烈的致畸性； 2. 乙胺丁醇（抗结核药物）SS构型有效，RR构 型导致失明； 3. 氯霉素RR构型具抗菌性SS构型几乎无活性； 4. 心得安（普萘洛尔，心脏病药物）S构型活性， R构型抑制性欲； 5. 萘必洛尔（+）构型治疗高血压，（-）构型 导致血管舒张； 6. 酮基布洛芬S构型抗炎，R构型防治牙周病
NEC的这项开发工作，不仅是燃料电池技术的
一项进步。更为重要的是，它也是碳纳米管结构和 ‘纳米自组装 (nano-self-assembly) 技术’的首次实 际应用。
集成有该紧凑型燃料电池的笔记本电脑原型机
目前已经推出。
Berkeley化学家Paul Alivisato 在纳米半导体晶 体创新领域中，是一位具有突出贡献的科学家。
学科交叉与热点研究领域
• 计算化学
– – – – 量子化学 数学化学（含化学计量学、拓扑结构等） 药物设计与对接 分子设计与分子模拟
• 纳米化学
– 制备技术 – 功能开发
• 在美国，生物质能发电的总装机容量已经超过10G 兆瓦 • 美国开发出利用纤维素废料生产酒精的技术，建 立的稻壳发电示范工程，年产酒精2500吨 。 • 巴西是乙醇燃料开发应用最有特色的国家，乙醇燃 料已经占该国汽车燃料消费量的50%以上。 •到2015年，国内生物质发电装机规模不低于1300万 千瓦”，具体包括农林生物质发电800万千瓦，沼 气 发电200万千瓦，垃圾焚烧发电300万千瓦。 • 2013年，全球生物质能发电量为413,778.1百万千瓦 时，全球生物质能发电市场年收益为286.818亿美元。
微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍 能穿越这一势垒，这种能力称为隧道效应。人们发 现一些宏观量，如磁化强度、量子相干器中的磁通 量等均具有隧道效应，称之为宏观量子隧道效应。
磁学性质
小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著不同， 大块的纯铁矫顽力约为 80安/米，当颗粒尺寸减小 到 2*10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若 进一步减小其尺寸，大约小于 6*10-3微米时，其矫 顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。 利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作 成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁 盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已 将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。
光学性质
金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于 l%，大约几微米的厚度就能完全消光。因此，所有 的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小， 颜色愈黑，银白色的铂(白金)变成铂黑，金属铬变 成铬黑。
利用该特性可作为高效率的光热、光电等转换 材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。 此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术 等。
在正常的温度下，原子处在恒定的激烈运动中， 并不能被摄像，采取把TEM(基模）浸入液态氦的 方法，就能迁移原子。 劳伦斯伯克利国家实验室的Salmeron用一个电 子使乙烯分子在钯三个原子中旋转120度”。 “ 在一个纳米中存在三个原子的足够空间。如 果我们准备去获得真正的纳米技术，我们必须准备 去学习如何一次放几个原子在一起。”
6.
这些领域虽已被化学家和其他相关领域的专家所 认识，并且有一些世界顶级的研究小组在从事相关 研究，甚至有些人已经因此获得了Nobel奖，但是还 是比较肤浅，还没有形成体系。
总结与展望

1. 化学为人类进步提供了物质基础，对于许多学科 分支的发展起了带头作用，但是其地位和作用一直 受到忽视。 2. 实际上，没有化学背景的人从事其他相关领域的 研究，感觉非常吃力，高度很难冲上去。
学科交叉与热点研究领域
材料科学与化学的交叉

没有化学就没有材料科学，材料科学是化学与物 理的完美结合。 没有化学就没有材料，尤其就没有新的功能材料
美国科学家A F Heeger，A G Macdiarmid和日本 科学家H Shirakawa因为发现聚乙炔的导电性而 获得2000年诺贝尔化学奖，此后又合成了一系列 导电高分子材料。


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• 生命科学
1953年Nature杂志发表了Watson-Crick用X-ray结 构分析确定的DNA双螺旋分子模型。 1962年荣获Nobel生理及医学奖。 1963年完成了完整的密码子表（核酸碱基序列 决定细胞功能的蛋白质）使生命科学有了真正 的发展。 需要化学家研究的领域： 1. 发现并研究新的生物活性分子 2. DNA序列虽然测定已经解决，人类基因组 （Human Genome Project，HGP）计划也已经 完成，但其功能和作用还几乎属于空白 3. 酶结构和催化功能的关系研究 4. 通过化学方法合成生物活性分子并模拟生命 过程和生命体系的合成
热学性质 固体物质在粗晶粒尺寸时，有其固定的熔点 ，超细微化后，却发现其熔点显著降低，当颗粒 小于10nm时变得尤为显著。 例1：银的常规熔点为690℃，而超细银熔点变为 100℃，因此银超细粉制成的导电浆料可在低温下 烧结。 例2： 采用超细银粉浆料，可使膜厚薄均匀，覆盖 面积大，既省料质量又高。100~1000nm的铜、镍纳 米颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵重金属。 例3：在钨颗粒中附加0.1~0.5%重量比的纳米镍颗 粒后，可使烧结温度从3000℃降至1200~1300℃，以 致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片
学科交叉与热点研究领域
• 能源化学

氢能源——利用催化剂或微生物光分解水，已 经在实验室中实现但是尚不能工业化 燃料电池——正负电极采用惰性多孔材料制成， 贮存氧气和可燃性气体，通过化学反应直接将 化学能转变成电能，其效率可达到80%，实验 室样品已经问世。 生物质能源 太阳能电池


•绿色化学
• 2009年10月10日,美国科学家合成物质 (Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+,将超导温度提高到 254K,\x1f距离冰点仅19℃.
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5.但化学学科始终与其他学科相隔一层无形之物， 看得见、过不去、连不起。 • 主要表现在一些基本上还算空白的领域：超分 子、生物大分子、分子聚集体、微米亚微米结构、 自组装、自聚集、与微环境系统的相互作用、极快 和极慢反应过程、生物活性和生物矿化过程等
环境化学

环境分析化学。没有分析化学家就没有现代的 环境科学 大气环境化学 水环境化学
土壤环境化学




元素化学循环 化学污染控制
环境计算化学
材料科学与化学的交叉
其他如液晶电视（被动显像）、电致发光显示屏
（主动显像）、光纤、锂电池、镍氢电池、压电 陶瓷等等
• 环境化学

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1995年Nobel化学奖授予M. Molina（墨西哥）、 S. Rowland（美）、P. Gutzen（荷兰），因为他 们提出了平流层臭氧破坏的化学机制。并且直 接导致了南极臭氧洞的发现和《蒙特利尔议定 书》的签订。
Alivisatos 第一个大的突破之一，是和他的合作 者Shimon Weiss 探索成功了为发射多种色光，而依 赖于镉、硒为核，亚硫酸镉为壳的不同体积的球形 纳米晶体。这些球形核–壳纳米晶体可作为高效荧 光标签、标记用于附着特种蛋白的抗体上，当受到 光子激发，就发出荧光或激发出色光。
由此可见，纳米技术将影响经济的 许多部门，从生物技术、卫生保健到 能源，科学家普遍认为这种影响主要 来自纳米电子。 通过纳米电子可以制得比以往任 何时候更小、更快、更便宜的常规设 备。 1998年，研究人员装配出单一的 纳米电子元件；研究人员正在尝试把 许多纳米元件组合起来，集成为完整 的记忆芯片。
表面效应
粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的 迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅 速增加。同时，由于表面原子周围缺少相邻的原子 ，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子 相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性。
隧道效应将会是未来电子器件的基础，或者它 确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当电 子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效 应。 在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近 电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使 器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在 0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利 用量子效应制成的新一代器件。
所评为2013年世界武器销售额前100名企业之一。
燃料电池的笔记本电脑
2006年
2007年
三星公司，其续航能力仍然高达8小时*30天。
NEC公司制造的微聚合物电解质电池，采用了
碳纳米管结构。这种结构形式的碳纳米管被命名为 “纳米角（nanohorn）”。由于这种材料的性质比 现在使用的活性碳优越，采用纳米角以后的聚合物 电解质电池的能量密度，可以比锂电池提高10倍。
4.二十一世纪化学研究热
点
2014年3月中科大微尺度物质科学国家实验室陈 仙辉教授课题组与复旦大学张远波课题组及其合作 者，在二维类石墨烯场效应晶体管研究中取得重要 进展，成功制备出具有几个纳米厚度的二维黑磷场 效应晶体管。研究成果在线发表在《自然· 纳米科技 》杂志上。 黑磷的直接能隙将增强黑磷和光的直接耦合， 让黑磷成为未来光电器件（例如光电传感器）的一 个备选材料。
力学性质
纳米材料具有非常大的界面，界面的原子排列 是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁 移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，而由纳米超微 颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。 美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大 幅度弯曲而不断裂。
宏观量子隧道效应
陈仙辉
张远波
NEC成立于1899年7月17日，创始人是岩垂邦
彦，当时是与美国的西部电气（WE公司）合资成 立的，是日本最早的合资公司。 目前NEC已成为拥有312家海内外子公司、14万 多员工的全球性企业。业务范围涉及IT解决方案、
网络解决方案、半导体及电子器件等诸多领域，是
世界上拥有知识产权最多的厂商之一。 2012年在财富世界500强排行榜中排名第271位。 2014年12月15日被瑞典的斯德哥尔摩国际和平研究
美国纳米促进会在其官方网站上表示：用纳米 粒子制作工业催化剂产品，影响了全球大约1/3的 催化剂产品市场，特别是石油与化工产业方面，比 如：消除汽车排放的有毒尾气，治理城市水污染等 ，收益十分可观 。
小尺寸效应
当颗粒的尺寸与光波、德布罗意波长、透射深 度等物理特征尺寸相当或更小时，非晶态纳米粒子 的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、 电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化 -小尺寸效应
改造或创新化学反应过程，能源和洁净煤化学 技术，资源再生和循环利用，综合利用的绿色 化学生化工程。 例如：聚苯乙烯（PS）泡沫生产中用二氧化碳 代替氟氯烃、煤电厂采用等离子除硫技术防止 二氧化硫排放产生酸雨，等等。

• 绿色化学
污染和废弃物大都来自化学并且极为迅速的消耗不
可再生资源 Green Chemistry 的核心就是要利用化学原理从源 头上减少和消除工业生产对环境的污染。 绿色化学是指化学反应和过程以“原子经济性”为 基本原则，即在获得新物质的化学反应中尽可能使 参与反应的反应物的原子全部转化为期望的最终产 物实现“零排放”。