固体无机化学-绪论.ppt

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1、无机固体化学无机固体化学主讲教师：徐甲强教授主讲教师：徐甲强教授2010年年12月月主要参考书主要参考书v固体无机化学，张克立编著，武汉大学出版社v无机固体化学，洪广言编著，科学出版社v固体化学，苏勉曾编著，北京大学出版社学习网站vhttp:/ of Solid State ChemistryvJournal of Alloys and CompoundsvMaterial Chemistry and PhysicsvJournal of Materials ChemistryvChemistry of MaterialsvJournal of Physical Chemistry CvEle

2、ctrochemistry and Solid State LettersvSolid State IonicsvAdvanced MaterialsvNano Letters主要期刊-国内期刊v无机材料学报v硅酸盐学报v无机化学学报v功能材料v功能材料与器件学报v材料研究学报v稀有金属材料与工程主讲内容主讲内容无机固体的结构（教师主讲）无机固体的结构（教师主讲）v晶体结构，缺陷结构，表面结构无机固体的研究方法（部分由学生主讲）无机固体的研究方法（部分由学生主讲）v结构确定，形貌表征，成分分析无机固体的质点迁移与反应（教师主讲）无机固体的质点迁移与反应（教师主讲）v反应，扩散，烧结无机固体的性

3、能（学生主讲）无机固体的性能（学生主讲）v电学性能，电化学性能，光学性能，磁学性能等材料设计（自学）材料设计（自学）v结构设计，性能设计绪论v固体化学的概念、特点、地位与作用v固体化学的研究内容v固体无机化学研究的前沿领域v国家科技计划与固体化学什么是固体化学？什么是固体化学？v固体化学是研究固体物质（包括材料）的合成、反应、组成、性能及其变化规律和内在关系的科学。v固体无机化学是研究固体无机物质的结构、组成、性质和合成方法等的科学。固体化学作为一个学科的出现，是建立在固体化学作为一个学科的出现，是建立在物理物理物理物理学学学学、化学化学化学化学、晶体学晶体学晶体学晶体学和和材料科学材料科学材

4、料科学材料科学发展的基础之上。发展的基础之上。固体化学的发展固体化学的发展反过来也必将反过来也必将推动推动推动推动物理学、化物理学、化学、晶体学和材料科学的发展。学、晶体学和材料科学的发展。随着材料科学技术的发展，一方面需要随着材料科学技术的发展，一方面需要改进改进改进改进目目前正在使用的固体材料的性能；前正在使用的固体材料的性能；另一方面又要希望能够不断另一方面又要希望能够不断创造出创造出创造出创造出性能更加优性能更加优异的新材料。异的新材料。因此，材料的因此，材料的改进与创新改进与创新改进与创新改进与创新在很大程度上都依靠在很大程度上都依靠于对于对固体化学的了解固体化学的了解固体化学的了解

5、固体化学的了解和和固态化学研究的不断深入固态化学研究的不断深入固态化学研究的不断深入固态化学研究的不断深入。固体化学的特点固体化学的特点 v固体化学是一门新兴学科v固体化学是一门交叉学科v固体化学是一门前沿学科固体化学的地位固体化学的地位v新兴学科的学科基础，受到重要期刊关注v传统学科的前沿与发展，受到各类国家科技计划支持v文明社会三大支柱（材料、信息、能源）的技术支撑，尤其是材料科学的核心性能性能使用效能使用效能合成与合成与制备制备组成与结构组成与结构无机材料科学与工程 上世纪上世纪60 60 年代，人们把年代，人们把材料材料材料材料、能源能源能源能源和和信息信息信息信息誉誉为为当代文明的三

6、大支柱当代文明的三大支柱。70 70 年代又把年代又把新型材料新型材料新型材料新型材料、信息技术信息技术信息技术信息技术和和生物技生物技生物技生物技术术术术誉为誉为新技术革命的主要标志新技术革命的主要标志。8080年代，为超越世界科技水平，我国政府制年代，为超越世界科技水平，我国政府制订的订的“863863”高新技术计划高新技术计划又把又把新材料新材料新材料新材料作为作为主要主要研究与发展领域之一研究与发展领域之一。大量事实证明，大量事实证明，科学技术的进步科学技术的进步科学技术的进步科学技术的进步离不开离不开材材材材料科学料科学料科学料科学，因而也就离不开，因而也就离不开固体化学固体化学固体

7、化学固体化学。例如例如:半导体材料的设计半导体材料的设计推动了今天的半推动了今天的半导体工业、电子工业、计算机和信息产业；导体工业、电子工业、计算机和信息产业；现代航空、航天技术中需要的现代航空、航天技术中需要的高强度高强度、耐高温耐高温、轻质轻质的的结构材料结构材料结构材料结构材料等。等。因此，可以说，现代采矿、冶金、地质、因此，可以说，现代采矿、冶金、地质、建材、机械、电子、石油化工、航空航天等每建材、机械、电子、石油化工、航空航天等每个领域都与个领域都与材料科学材料科学材料科学材料科学、固体化学固体化学固体化学固体化学有着密切的关有着密切的关系。系。固体化学的任务与作用固体化学的任务与作

8、用v搞清无机材料的组成、结构及其与性能的关系；探讨新型材料的合成与结构控制；为材料的结构设计和性能设计奠定基础。v与相关学科和高新技术进一步交叉、融合，丰富研究内容，革新研究手段，促进固体化学和相关学科的发展。固体化学的研究内容固体化学的研究内容v固体化学：在固体物理基础上发展。着重研究固体物质的化学反应、合成方法、晶体生长、化学组成与晶体结构；研究固体中缺陷的形成及其对固体的物理及化学性质的影响；探讨固体物质作为材料使用的可能性。即固体化学侧重固体性质的定性认识。v固体物理：侧重在原子的层次上研究构成固体物质的原子、离子以及电子的运动和相互作用，提出各种模型与理论，以阐明固体的结构和物性。即

9、固体物理研究固体结构与性质的定量关系。固体物质的分类固体物质的分类v微观结构形态微观结构形态晶态固体和非晶态固体v材料的化学组成材料的化学组成金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料v化学键化学键离子晶体、共价晶体、金属晶体和分子晶体v材料的使用性能材料的使用性能功能材料和结构材料v应用对象应用对象信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料和航天材料等v物理效应物理效应激光材料、发光材料、磁性材料、导电材料、绝缘材料等固体材料的分类固体材料的分类固体材料的分类固体材料的分类按化学分类按化学分类按化学分类按化学分类按状态分类按状态分类按状态分类按状态分类按物理效应分类按物理效应分类按物理效

10、应分类按物理效应分类按用途分类按用途分类按用途分类按用途分类金金金金属属属属材材材材料料料料无无无无机机机机非非非非金金金金属属属属材材材材料料料料有有有有机机机机高高高高分分分分子子子子材材材材料料料料晶晶晶晶态态态态材材材材料料料料非非非非晶晶晶晶态态态态材材材材料料料料复复复复合合合合材材材材料料料料准准准准晶晶晶晶态态态态材材材材料料料料压压压压电电电电材材材材料料料料、激激激激光光光光材材材材料料料料热热热热释释释释材材材材料料料料、声声声声光光光光材材材材料料料料铁铁铁铁电电电电材材材材料料料料、非非非非线线线线性性性性光光光光学学学学材材材材料料料料磁磁磁磁性性性性材材材材料料料

11、料、超超超超导导导导材材材材料料料料功功功功能能能能材材材材料料料料结结结结构构构构材材材材料料料料单单单单晶晶晶晶材材材材料料料料多多多多晶晶晶晶材材材材料料料料微微微微晶晶晶晶材材材材料料料料普普普普通通通通玻玻玻玻璃璃璃璃金金金金属属属属玻玻玻玻璃璃璃璃高高高高分分分分子子子子材材材材料料料料半半半半导导导导体体体体玻玻玻玻璃璃璃璃耐耐耐耐火火火火材材材材料料料料金金金金属属属属材材材材料料料料建建建建筑筑筑筑材材材材料料料料耐耐耐耐磨磨磨磨材材材材料料料料固体材料的化学分类固体材料的化学分类固体材料固体材料无机非金属材料无机非金属材料金属材料金属材料高分子材料高分子材料传统无机非金属材

12、料传统无机非金属材料 硅酸盐材料硅酸盐材料新型无机非金属材料新型无机非金属材料 半导体材料、超硬半导体材料、超硬耐高温材料耐高温材料、发光材料等发光材料等 金属、合金金属、合金 塑料、合成橡胶、合成纤维塑料、合成橡胶、合成纤维固体物质的特点固体物质的特点v界面与晶界v高维与低维v各向异性与各向同性v化学计量与非化学计量v有序和无序v相变v缺陷固体无机化学的研究内容固体无机化学的研究内容v研究金属材料（含合金）、无机非金属材料（含单质和化合物）和无机复合材料的结构、组成、性质和合成方法；v探讨无机固体物质的结构、组成及其与性能的关系和内在规律，为材料的结构和性能设计提供指导。固体无机化学研究的前

13、沿领域固体无机化学研究的前沿领域v固体化学在推进新材料发展的同时，其本身也随着固体化学在推进新材料发展的同时，其本身也随着材料科学的发展而发展。材料科学的发展而发展。v 近年来已出现了一些富有成果性的研究。如近年来已出现了一些富有成果性的研究。如高温超高温超高温超高温超导材料导材料导材料导材料、纳米材料纳米材料纳米材料纳米材料、C C C C60606060 、碳纳米管、石墨烯碳纳米管、石墨烯等。等。v一、固体无机化合物和新材料的一、固体无机化合物和新材料的新合成方法新合成方法新合成方法新合成方法;v二、二、温室和低热温室和低热温室和低热温室和低热固相化学反应固相化学反应;v三、三、超微粒子超

14、微粒子超微粒子超微粒子与与纳米相纳米相纳米相纳米相功能材料功能材料v四、层状化合物与四、层状化合物与高温超导高温超导高温超导高温超导;v五、原子簇化合物与五、原子簇化合物与C C C C60606060;v六、六、生物无机生物无机生物无机生物无机固体化学固体化学;一、一、固体无机化合物和新材料的新合成方法固体无机化合物和新材料的新合成方法 通常采用通常采用高温固相反应高温固相反应高温固相反应高温固相反应来制备固体无机来制备固体无机化合物和新材料。化合物和新材料。此方法的缺点此方法的缺点:1 1、反应、反应温度过高温度过高温度过高温度过高（大于（大于 1400 1400）；）；2 2、消、消耗能

15、耗能耗能耗能量大；量大；3 3、反应、反应过程难于控制过程难于控制过程难于控制过程难于控制 ；新的合成方法如下：新的合成方法如下：1 1、溶胶凝胶溶胶凝胶溶胶凝胶溶胶凝胶法法 2 2、共沉淀共沉淀共沉淀共沉淀法法 3 3、水热水热水热水热与与溶剂热溶剂热溶剂热溶剂热合成法合成法 4 4、微波微波微波微波法法 5 5、气相气相气相气相输运法输运法其中，其中，溶胶凝胶法溶胶凝胶法及及水热与溶剂热合成法水热与溶剂热合成法是是软化学合成软化学合成软化学合成软化学合成中比较重要的两种方法。中比较重要的两种方法。软化学合成的原理软化学合成的原理：在在中低温或溶液中低温或溶液中，使反应物中，使反应物在分子状

16、态上在分子状态上在分子状态上在分子状态上均均匀混合，先生成匀混合，先生成前驱体或中间体前驱体或中间体前驱体或中间体前驱体或中间体（此反应过程可以（此反应过程可以人为控制），再经过一定的热处理等得到指定组成、人为控制），再经过一定的热处理等得到指定组成、结构和形貌的材料。结构和形貌的材料。软化学合成方法广泛应用于软化学合成方法广泛应用于发光材料发光材料、磁性材磁性材料料、金属间化合物金属间化合物、玻璃陶瓷玻璃陶瓷和和高温结构材料高温结构材料等。等。组合化学组合化学组合化学组合化学（combinatorial chemistrycombinatorial chemistry）由于由于可以可以批量合

17、成批量合成批量合成批量合成化合物而引起科学家的广泛兴趣。化合物而引起科学家的广泛兴趣。组合化学起始于组合化学起始于2020世纪世纪 8080年代年代，原来主要用，原来主要用于于药物材料药物材料药物材料药物材料的筛选上（例如作为抗癌药物的无机的筛选上（例如作为抗癌药物的无机配合物）。配合物）。现在，利用现在，利用组合化学的方法组合化学的方法可以有效地可以有效地寻找具有寻找具有特殊功能特殊功能的新型化合物材料，从而的新型化合物材料，从而在在光学、电学、磁学材料光学、电学、磁学材料中具有广阔的应用中具有广阔的应用前景。前景。二、温室和低热固相化学反应二、温室和低热固相化学反应“固相化学反应只能在高温

18、下发生固相化学反应只能在高温下发生”这一认这一认识，在化学家的头脑中已根深蒂固，而事实上许识，在化学家的头脑中已根深蒂固，而事实上许多固相反应多固相反应在低温下在低温下在低温下在低温下便可发生。便可发生。研究研究低温固相反应低温固相反应低温固相反应低温固相反应并用其开发其合成材料的并用其开发其合成材料的意义是不言而喻的。意义是不言而喻的。1993 1993 年年MalloukMallouk教授在教授在Science Science 中的评述如中的评述如下：下：传统固相化学反应只能在传统固相化学反应只能在较高温度较高温度较高温度较高温度下存在，下存在，它们它们在高温时在高温时分解或重组成分解或重

19、组成分解或重组成分解或重组成热力学稳定产物。为热力学稳定产物。为了得到了得到介稳态介稳态介稳态介稳态固相反应产物，扩大材料的选择范固相反应产物，扩大材料的选择范围，有必要围，有必要降低固相反应温度降低固相反应温度降低固相反应温度降低固相反应温度。由此可见，由此可见，降低反应温度降低反应温度降低反应温度降低反应温度不仅可获得更新的化不仅可获得更新的化合物，为人类创造出更加丰富的物质财富，而且可合物，为人类创造出更加丰富的物质财富，而且可以最直接地提供人们以最直接地提供人们了解固相反应机理了解固相反应机理了解固相反应机理了解固相反应机理所需的实验所需的实验佐证，为人类尽早地实现能动、合理地利用固相

20、化佐证，为人类尽早地实现能动、合理地利用固相化学反应，进行学反应，进行定向合成定向合成定向合成定向合成和和分子组装分子组装分子组装分子组装以及最大限度地以及最大限度地发掘固相反应的发掘固相反应的内在潜力内在潜力创造了条件。创造了条件。室温下固室温下固-固反应的实例：固反应的实例：固体固体4-甲基苯胺甲基苯胺与固体与固体CoCl2.6H2O按按2:1摩尔摩尔比在室温下（比在室温下（20 ）混合，一旦接触，界面即刻）混合，一旦接触，界面即刻变蓝，稍加研磨反应完全，该反应甚至变蓝，稍加研磨反应完全，该反应甚至在在0 同同样瞬间变色。样瞬间变色。作为对比，在作为对比，在CoClCoCl2 2的水溶液的

21、水溶液的水溶液的水溶液中加入中加入4-4-甲基苯甲基苯甲基苯甲基苯胺胺胺胺（摩尔比同上），无论是（摩尔比同上），无论是加热煮沸加热煮沸还是还是研磨、研磨、搅拌搅拌都不能使都不能使白色的白色的白色的白色的4-4-甲基苯胺表面甲基苯胺表面甲基苯胺表面甲基苯胺表面变蓝，即使变蓝，即使在饱和的在饱和的CoCl2水溶液中也是如此。水溶液中也是如此。这表明虽然使用同样的这表明虽然使用同样的起始反应物起始反应物起始反应物起始反应物、同样、同样的的摩尔比摩尔比摩尔比摩尔比，由于，由于反应微环境反应微环境反应微环境反应微环境的不同，从而使固、的不同，从而使固、液反应有明显的差别，有的甚至如同上例，换液反应有明显

22、的差别，有的甚至如同上例，换一种状态进行，反应根本不发生，或者固、液一种状态进行，反应根本不发生，或者固、液反应的产物不同。反应的产物不同。室温或低温下室温或低温下室温或低温下室温或低温下固固-固反应的四步机理固反应的四步机理:1 1、固相间的、固相间的扩散扩散扩散扩散；2 2、反应物进行、反应物进行固相反应固相反应固相反应固相反应；3 3、反应物开始形成、反应物开始形成晶核晶核晶核晶核；4 4、晶核进一步、晶核进一步生长生长生长生长。低温固相反应的特点：低温固相反应的特点：作为作为绿色合成化学绿色合成化学的低热化学反应，具有的低热化学反应，具有节能节能节能节能、高效高效高效高效、无污染无污染

23、无污染无污染及及工艺过程简单工艺过程简单工艺过程简单工艺过程简单等优点，等优点，它不仅使合成新的化合物成为可能，也为材料它不仅使合成新的化合物成为可能，也为材料的制备提供了一种新的方法。的制备提供了一种新的方法。三、超微粒子与纳米相功能材料三、超微粒子与纳米相功能材料 在工程上，把在工程上，把粒径小于粒径小于粒径小于粒径小于0.5 0.5 微米微米微米微米的粒子称为的粒子称为超微粒子超微粒子超微粒子超微粒子。科学家根据粒径对材料性质的影响，把粒径科学家根据粒径对材料性质的影响，把粒径为为0.1-0.0010.1-0.001微米微米微米微米（即（即1100 nm）的超微粒子的超微粒子的超微粒子的

24、超微粒子称称作作纳米粒子纳米粒子纳米粒子纳米粒子。“纳米纳米”（nm）是一个是一个尺度的度量尺度的度量，1 nm=10-9 m。纳米材料就是材料的组成中纳米材料就是材料的组成中至少有至少有一相的晶粒尺寸一相的晶粒尺寸小于小于100 nm 的材料。的材料。纳米材料被誉为纳米材料被誉为2121世纪的新材料世纪的新材料世纪的新材料世纪的新材料，它具，它具有三个特征：有三个特征：1、具有、具有尺寸小于尺寸小于尺寸小于尺寸小于100 nm100 nm 的原子区域的原子区域 （晶粒或相）；（晶粒或相）；2、显著的、显著的界面原子数界面原子数界面原子数界面原子数；3、组成区域间、组成区域间相互作用相互作用相

25、互作用相互作用。四、层状化合物与高温超导四、层状化合物与高温超导 自从自从1986年发现年发现层状层状层状层状KK2 2NiFNiF4 4结构结构结构结构镧钡铜氧镧钡铜氧(La1-xBa)2CuO4是一种高温超导体以来，人们对是一种高温超导体以来，人们对超导材料的研究一直比较感兴趣。超导材料的研究一直比较感兴趣。在液氦温度（在液氦温度（4.2 K）下，汞的电阻会下，汞的电阻会出现零电阻，这种现象被称作出现零电阻，这种现象被称作超导超导超导超导。如下图。如下图所示：所示：零电阻现象零电阻现象 温度温度/K 电阻电阻 /但是，汞金属的超导状态但是，汞金属的超导状态在很弱的磁场中在很弱的磁场中在很弱

26、的磁场中在很弱的磁场中就会被破坏。就会被破坏。进一步的研究表明，要成为超导状态，温进一步的研究表明，要成为超导状态，温度度T、磁场强度磁场强度H和电流密度和电流密度J都必须分别处于都必须分别处于临界温度临界温度临界温度临界温度TcTc、临界磁场强度临界磁场强度临界磁场强度临界磁场强度HcHc和和临界电流密度临界电流密度临界电流密度临界电流密度JcJc以下。以下。临界条件下具有超导性的物质称为临界条件下具有超导性的物质称为超导材超导材超导材超导材料料料料或或超导体超导体超导体超导体。能够在液氮沸点（能够在液氮沸点（77 K）以上的温区呈现以上的温区呈现超导性质的材料，即超导性质的材料，即高临界温

27、度超导体高临界温度超导体高临界温度超导体高临界温度超导体（简称（简称高温超导）一直是科学家梦寐以求的材料。高温超导）一直是科学家梦寐以求的材料。直到直到1987年发现了年发现了123 123 型型型型的钇系高温超导体的钇系高温超导体YBa2Cu3O7-x，其临界温度跃至其临界温度跃至92 K，从而使超导从而使超导材料在实际应用中成为可能材料在实际应用中成为可能(超导火车、超导核磁超导火车、超导核磁共振仪、超导线材共振仪、超导线材)。研究发现，研究发现，YBaCuO是一个非化学计量比的、具有氧空是一个非化学计量比的、具有氧空位的位的ABO3型钙钛矿型层状结构的化合物。其结构图如下：型钙钛矿型层状

28、结构的化合物。其结构图如下：YBa2Cu3O7-x的缺陷型钙钛矿结构的缺陷型钙钛矿结构 由于三价稀土由于三价稀土离子和二价碱土金离子和二价碱土金属离子在属离子在A位的不位的不等价取代，导致等价取代，导致B位的铜产生位的铜产生Cu2+和和Cu+的混合价态，离的混合价态，离域的载流子沿层状域的载流子沿层状的的CuO面输运而产面输运而产生超导现象，成为生超导现象，成为空穴型的高温超导空穴型的高温超导体。体。通过对上述通过对上述混合价态的层状化合物混合价态的层状化合物的的深入研究后，人们又发现了深入研究后，人们又发现了铋系铋系、铊系铊系和和汞系汞系等层状高温超导体，它们的临界温度等层状高温超导体，它们

29、的临界温度如下所示：如下所示：YBa2Cu3O7：90 K Bi2Sr2Ca2Cu3O10：110 K Tl2Ba2 Ca2Cu3O10：125 K HgBa2Cu2O8：153 Kv2008年日本和中国科学家相继报告发现了一类新的高温超导材料铁基超导材料。美国科学杂志网站报道说，这是高温超导研究领域的一个重大进展。v2月，日本科学家首先报告说，氟掺杂镧氧铁砷化合物在临界温度26开尔文(零下247.15摄氏度)时，即具有超导特性。v3月25日，中国科技大学陈仙辉领导的科研小组又报告，氟掺杂钐氧铁砷化合物在临界温度43开尔文(零下230.15摄氏度)时也变成超导体。v4月13日，中国科学院物理研

30、究所赵忠贤领导的科研小组又有新发现：氟掺杂钐氧铁砷化合物假如在压力环境下产生作用，其超导临界温度可提升至55开尔文(零下218.15摄氏度)。v新的铁基超导材料将激发物理学界新一轮的高温超导研究热 其它一些其它一些新型功能材料新型功能材料新型功能材料新型功能材料也相继发现，如也相继发现，如钙钛钙钛钙钛钙钛矿型矿型矿型矿型层状结构的层状结构的La1-xMxMnO3(M=Ca,Sr,Ba,Pb)、双钙钛矿型双钙钛矿型双钙钛矿型双钙钛矿型层状结构的层状结构的A3B2O7（A=Ca、Sr、Ba，B=Mn）都是具有都是具有巨磁电阻特性巨磁电阻特性巨磁电阻特性巨磁电阻特性的材料。的材料。因此，继续深入研究

31、因此，继续深入研究层状化合物层状化合物和非和非化学计量比的化学计量比的缺陷化合物缺陷化合物，对于，对于新型功能新型功能材料的发现材料的发现具有非常重要的意义具有非常重要的意义。五、原子簇化合物与五、原子簇化合物与C60原子簇化合物主要包括以下三种：原子簇化合物主要包括以下三种：1、功能性功能性功能性功能性簇化合物；簇化合物；2、生物模拟生物模拟生物模拟生物模拟簇化合物；簇化合物；3、碳碳碳碳簇化合物。簇化合物。其中，其中，碳原子簇碳原子簇碳原子簇碳原子簇化合物由于具有许多新化合物由于具有许多新型的功能特性，如型的功能特性，如导电性导电性、超导性超导性和和催化性催化性能能等，从而引起了科学家的广

32、泛兴趣，尤以等，从而引起了科学家的广泛兴趣，尤以C C6060化合物化合物化合物化合物最为典型。最为典型。C60可描绘为可描绘为平截正平截正平截正平截正2020面体面体面体面体而形成的而形成的32面体。面体。正二十面体正二十面体正二十面体正二十面体32面体面体正正20面体含有面体含有20 个正三角形面，每一个顶角个正三角形面，每一个顶角为为5 5个正三角形的顶点个正三角形的顶点个正三角形的顶点个正三角形的顶点，共有，共有12个顶角。个顶角。所谓所谓平截正平截正平截正平截正2020面体面体面体面体是在每一个顶角下正三角是在每一个顶角下正三角形的形的1/3处，通过一平面截去邻近的正五角锥，处，通过

33、一平面截去邻近的正五角锥，露出一个正五角形面。露出一个正五角形面。平截去掉平截去掉12个五角之后，个五角之后，每一顶角形成为正六每一顶角形成为正六每一顶角形成为正六每一顶角形成为正六角形面角形面角形面角形面，故所得的，故所得的32面体由面体由1212个正五角形面个正五角形面个正五角形面个正五角形面和和2020个个个个正六角形正六角形正六角形正六角形面围成。面围成。其中，每一其中，每一顶角顶角顶角顶角是两个正六角环和一个正五角是两个正六角环和一个正五角环的聚会点。显而易见，环的聚会点。显而易见，C60 的每个碳原子都处于的每个碳原子都处于等价的位置。如下图所示：等价的位置。如下图所示：实验证明，

34、实验证明，C60化合物为化合物为芳香族有机分子芳香族有机分子芳香族有机分子芳香族有机分子，它的，它的分子结构很稳定分子结构很稳定分子结构很稳定分子结构很稳定。单个。单个C60分子的分子的对称性性很高对称性性很高对称性性很高对称性性很高，仅，仅次于球对称。次于球对称。六、生物无机固体化学六、生物无机固体化学生物无机固体化学是生物无机固体化学是生命科学生命科学生命科学生命科学、材料科学材料科学材料科学材料科学和和固体化学固体化学固体化学固体化学的新兴交叉学科；的新兴交叉学科；它主要研究它主要研究在生物体系中在生物体系中无机矿物无机矿物无机矿物无机矿物的结构、的结构、性质与功能之间的关系，以及阐明性

35、质与功能之间的关系，以及阐明生物矿化生物矿化生物矿化生物矿化过程过程的机理。的机理。目前研究微生物学、地质学、海洋考察等方面目前研究微生物学、地质学、海洋考察等方面的的生物模拟生物模拟生物模拟生物模拟，对探讨，对探讨生命起源问题生命起源问题提供了有力的证提供了有力的证据。据。德国学者德国学者Wachtershauster G关于关于在在Fe-S矿表面矿表面进进行的化学自养进化过程，细胞化进程理论和行的化学自养进化过程，细胞化进程理论和C-S键为键为基础的进化生物学研究方面较为深入。基础的进化生物学研究方面较为深入。目前，在活的生物体中所形成的矿物组分各异，目前，在活的生物体中所形成的矿物组分各

36、异，功能齐全，广泛用于细胞的离子库以及结构、支撑功能齐全，广泛用于细胞的离子库以及结构、支撑和保护的材料。和保护的材料。生物矿化生物矿化生物矿化生物矿化是一种是一种可控的动态过程可控的动态过程，如极端条，如极端条件下的生物矿化可件下的生物矿化可在实验室中进行模拟在实验室中进行模拟在实验室中进行模拟在实验室中进行模拟。生物矿。生物矿物通常具有确定的晶体大小和取向。物通常具有确定的晶体大小和取向。生物矿化的研究，对于制备新一代生物矿化的研究，对于制备新一代无机功能材料无机功能材料无机功能材料无机功能材料具有十分重要的意义。具有十分重要的意义。因此，因此，生物无机固体化学生物无机固体化学生物无机固体

37、化学生物无机固体化学将有可能帮助人们将有可能帮助人们开拓一个崭新的研究天地。目前研究方向主要是开拓一个崭新的研究天地。目前研究方向主要是寻找如何获得既有确定的大小、晶体取向，又具寻找如何获得既有确定的大小、晶体取向，又具有光、电、磁、热、声等功能的特殊材料的最佳有光、电、磁、热、声等功能的特殊材料的最佳途径。途径。0.4 国家科技领域的无机材料研究国家科技领域的无机材料研究v0.4.1国家中长期科技发展规划v0.4.2973计划v0.4.3863计划v0.4.4国家自然科学基金0.4.1国家中长期科技发展规划中国家中长期科技发展规划中的材料科学技术的材料科学技术v新材料技术将向材料的结构功能复

38、合化、功能材料智能化、材料与器件集成化、制备和使用过程绿色化发展。v突破现代材料设计、评价、表征与先进制备加工技术，在纳米科学研究的基础上发展纳米材料与器件，开发超导材料、智能材料、能源材料等特种功能材料，开发超级结构材料、新一代光电信息材料等新材料前沿技术v智能材料与结构技术 v高温超导技术 v高效能源材料技术 v重大计划纳米技术0.4.2 973计划中的材料科学计划中的材料科学v我国材料领域基础研究的战略目标是我国材料领域基础研究的战略目标是：围绕新时期我国对于材料的重大需求，在材料科学以及与之密切相关的工程技术领域中，选择若干重点基础科学问题取得突破，发展新的理论和技术，大幅度减污降耗，

39、提高量大面广的钢铁、能源、交通、建筑材料等传统材料的性能和使用寿命，满足国家建设和发展的根本保证；增加材料制备的技术含量，提高材料的附加值，开拓信息、能源、航天、航空等新兴产业领域的高技术材料，增强我国国防、经济实力和国际竞争力，使我国材料科学与工程的某些基础研究进入国际先进行列，为我国国民经济和社会发展作出重大贡献。“十五十五”后三年重点研究方向是：后三年重点研究方向是：v1、传统材料的改造升级与高性能化2、发展高新技术产业材料的科学基础3、提高人民生活质量的材料科学基础4、材料科学自身发展的科学基础近期相关的近期相关的973计划项目计划项目182009CB220000高效低成本直接太阳能化

40、学及生物转化与利用的基础研究西安交通大学郭烈锦后三年2340.00192009CB220100新型二次电池及相关能源材料的基础研究北京理工大学吴锋后三年2547.00482009CB623100水泥低能耗制备与高效应用的基础研究中国建筑材料科学研究总院沈晓冬后三年1302.00492009CB623200环境友好现代混凝土的基础研究东南大学李宗津后三年1589.00502009CB623300信息功能陶瓷及其元器件的若干基础问题研究清华大学南策文后三年1427.00512009CB623400面向应用过程的膜材料设计与制备基础研究南京工业大学徐南平后三年1531.00522009CB62350

41、0新结构高性能多孔催化材料的基础研究中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院谢在库后三年1342.00532009CB623600有机高分子平板显示材料的基础研究中国科学院长春应用化学研究所王利祥后三年1406.00542009CB623700先进材料性能与结构演化间关系的现代表征方法及科学问题的研究浙江大学张泽后三年1569.00872009CB930000面向组织修复与替代的纳米生物材料的研究复旦大学丁建东后三年1483.00882009CB930100纳米生物材料的合成、组装及在生物医学领域的应用国家纳米科学中心李峻柏后三年1445.00892009CB930200应用纳米技术解决新型

42、抗艾滋病药物的若干关键科学问题国家纳米科学中心梁兴杰后三年1378.00912009CB930400纳米结构材料的程序化组装中国科学院化学研究所宋卫国后三年1343.00922009CB930500金属介质纳米异质结构中的局域耦合效应及其在光电转换器件中的应用山东大学徐现刚后三年1343.001332011CB935900纳米材料与技术在智能电网储能用二次电池中应用基础研究南开大学陈军前两年1158.001342011CB936000纳米材料的水处理器件化方法及其应用基础研究中国科学院生态环境研究中心郭良宏前两年1151.002212011CB808600不饱和烃高效转化中的前沿科学问题中国科

43、学院化学研究所史一安前两年1052.002222011CB808700若干功能体系的定向设计与构筑吉林大学于吉红前两年1060.002492011CB932300功能导向大面积、有序纳米结构可控制备和应用基本科学问题研究中国科学院化学研究所李玉良前两年1125.002502011CB932400金属与金属间化合物纳米晶的可控合成与催化反应清华大学李亚栋前两年1032.002512011CB932500功能导向的纳米超分子组装体结构调控与可控制备南开大学刘育前两年1032.002522011CB932600碳纳米管的可控制备方法及规模应用关键技术研究中国科学院金属研究所成会明前两年1157.00

44、2532011CB932700石墨烯的可控制备、物性与器件研究中国科学院物理研究所陈小龙前两年1158.000.4.3 863计划中的材料技术v按照国家发展战略，863计划新材料技术领域按照项目和专题两个层次进行部署，设置五个专题，分年度公开发布专题课题申请指南。v“智能材料设计与先进制备技术”v“高温超导和高效能源材料技术”v“纳米材料与器件”v“光电信息与特种功能材料”v“高性能结构材料”等0.4.4 国家自然科学基金项目国家自然科学基金项目-无机无机非金属材料学科非金属材料学科v无机非金属材料研究领域支持具有创新思想的、以无机非金属材料本身为研究主体的基础与应用基础研究。v随着材料设计理

45、论的发展和制备技术上的创新，诸如高Tc超导陶瓷材料、智能材料、生物材料、能源材料以及纳米材料等新型材料的不断涌现，使得无机非金属材料的研究也日趋活跃。v目前，无机非金属材料的研究中，功能材料向着高效能、高可靠、高灵敏、智能化和功能集成化的方向发展；结构材料向着复合化、高韧性、高比强、耐磨损、抗腐蚀、耐高温、低成本和高可靠性的方向发展。在发展新材料的同时，传统材料也不断地得到改造、更新和发展。v无机非金属材料在信息、生命、能源与环境等科学中的应用愈来愈受到重视。v本学科鼓励与相关学科进行实质性的学科交叉研究，支持：v1 结合我国资源状况的新型无机非金属信息功能材料的制v 备科学与应用基础研究；v

46、2 低维材料和纳米材料的制备新技术及其性能表征、新效v 应及其应用中的物理与化学基础问题的研究；v3 外场诱导相变材料及应用基础研究；v4 复合材料的表面、界面和相容性的研究；v5“结构-功能”一体化复合材料的基础研究；v6 高性能、低成本、高可靠性的材料制备科学；v7 智能材料、能源新材料、生物医用材料和生态环境材料v 的组成、结构、性能及其表征；v8 无机非金属材料结构（宏观、介观、微观）设计的理论v 基础研究和相应的制备科学；v9 用新理论、新技术、新工艺提高和改造传统无机非金属v 材料的应用基础研究。国家自然科学基金国家自然科学基金-无机化学学科无机化学学科v针对无机化学学科的基础科学

47、问题，面向能源、环境、信息、材料和生命等领域的关键应用基础开展研究是本学科的资助重点 v无机化学在合成和制备研究中，力求发展新的合成方法及路线，揭示新的反应机理，注重运用分子设计和晶体工程的思想，深化新物质合成及聚集状态的研究，关注无机材料的组装与复合，突出功能性无机物质的结构与性能关系，以及新材料的应用基础研究；通过与物理学的交叉，运用物质科学的基础理论和表征技术，发展和强化无机物质及其材料与器件的性质研究；无机化学与生命科学的交叉要突出无机物生物效应的化学基础，深化金属生物大分子、无机仿生过程及分子以上层次生物无机化学研究。化学学部化学学部-重点项目重点项目v1团簇及其化合物的制备与功能团

48、簇及其化合物的制备与功能(B01)v2多功能分子基材料多功能分子基材料(B01)v3多孔化合物及性能多孔化合物及性能(B01)v4无机固体功能材料无机固体功能材料(B01）v15理论与计算化学在能源、材料或生命领域中的理论与计算化学在能源、材料或生命领域中的应用应用(B03)v16新催化材料的催化作用本质研究新催化材料的催化作用本质研究(B03)v17能源转化过程的关键物理化学问题能源转化过程的关键物理化学问题(B03)v18电化学研究的新方法电化学研究的新方法(B03)国家自然科学基金国家自然科学基金-重大研究计划重大研究计划v华北克拉通破坏 v 近空间飞行器的关键基础科学问题 v单量子态的

49、检测及相互作用 v功能导向晶态材料的结构设计和可控制备 v纳米制造的基础研究 v非常规突发事件应急管理研究 v黑河流域生态-水文过程集成研究固体无机化学研究的前沿领域固体无机化学研究的前沿领域国家自然科学基金重大研究计划纳米科技（）国家自然科学基金重大研究计划纳米科技（）1.纳米材料的设计和制备 纳米材料的结构与性能的关系及其稳定性 纳米材料特异性能应用的探索研究 2.表征纳米体系的新原理和新手段及微区探测 纳米结构的动态与静态表征 纳米结构和性能测量的新技术、新原理、新方法 3.纳电子学和纳米器件（纳米器件、集成的基础科学研究）突破硅基微电子技术极限的新原理器件及其科学基础 纳米传感、检测、

50、存储与显示器件 4.纳米生物体系和仿生纳米结构 纳米医用材料和仿生纳米结构的生物学特性与生物相容性 纳米生物诊断技术的基本科学问题（超高分辨成像技术、纳米生物传感器及纳米生物芯片）5.纳米体系的介观物理基础及其特异性能的科学基础 物质向纳米结构转变的低维、表面、量子限域效应和量子输运 纳米体系中介观物理理论问题 重点计划v化学科学一处化学科学一处1.金属-有机分子功能材料研究（B01）2.复杂混合价态无机固体材料的合成与性能（B01）3.氧化物基功能材料均匀性制备化学基础（B01）4.分子磁性材料研究（B01）5.在配位化学、无机固体化学研究领域提出的自由申请重点项目（B01）6.复杂样品系统