第三章现代化学进展课件.ppt
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1、第三章现代化学进展1第1页,此课件共66页哦 去只有天文学、地理(地质)、生物、数学、物理、化学六个一级学科;而经过20世纪科学的发展和交叉研究,又逐渐形成了新的交叉学科,如生命科学、材料科学、环境科学等。下而将分别展望一些交叉学科和可能成为热点的研究领域的动向。一、生命科学2第2页,此课件共66页哦 1生命的基础物质研究 构成生物的生命活性物质有蛋白质、核酸、糖等生物大分子和激素、神经递质、细胞因子等生物小分子。目前已经研究和确定了许多生物大分子的结构。2遗传物质的作用 人体基因组中有数以亿计的DNA核苷酸单元,其中真正用于规定蛋白质中氨基酸序列的密码约占10左右,那么其余90左右的DNA核
2、昔酸单元起什么作用?最近研究表明,DNA核苷酸序列中还表达一类为DNA构象编码的信息。如人体内组成蛋白质的氨基酸均为L构型,为什么?与州A有关的空间立体构象的变化虽是由于围绕着单键的3第3页,此课件共66页哦 相对自由旋转运动引起的,但空间立体构象的不同,有其微小的能量差别。或许不同的DNA有不同的空间立体构象的选择性,这是否与手性识别有关?当然这是一个构象信息,也是目前化学研究中的一个重要问题。有90左右的DNA的功能和作用还没有完全了解。这是一个很广泛和复杂的研究领域。有待2l世纪人们的努力。数以亿计的DNA核苷酸单元不是一个小数目,要投人大量的研究力量,才有可能逐渐搞清楚。3人类基因组计
3、划 人类基因组计划是生命科学中迄今为止最浩大的工程,也是目前人体科学研究的一个主流,是从认识外在世界的科学规律转向认识人类自身的一项生命科学重大基础4第4页,此课件共66页哦 研究。完成人类基因组计划要测定约10万条基因的结构和位置,以及这些基因的全部3109个核苷酸的序列。21世纪初,这项研究无疑地成为生命科学的首要任务。这一部分工作主要由生物学家去做,那么化学研究者可以做什么?这是值得认真考虑的。4酶结构和催化功能的关系研究 生物体内进行的各种生物化学反应,均藉助于酶的催化功能。迄今为止,所研究的酶绝大多数都是蛋白质。在酶的发现、结构、作用机理及模拟酶方面已经取得很多进展,但是所研究的酶只
4、能说是酶中的一小部分。即使这些研究过的酶也只能了解其一部分。今后发现断酶,深人研究酶结构还是有许多工作要做的。20世纪后期有一个关5第5页,此课件共66页哦 于酶的重要发现,即TRCech和SAttman发现RNA的酶活性。5脑科学 在现在生命科学中,脑科学处 于正在上升的地位。脑的高级功能 来自于脑的特殊结构。脑组织中约有100亿个神经细胞。通过神经细胞的信息传通,是由一个神经细胞释放神经递质通过神经问的突触而结合在另一个神经细胞膜的受体上完成的。神经递质都是一些小分于。有兴奋性神经递质(如谷氨酸、乙酸胆碱等)和抑制性神经递质(Y氨基丁酸、甘氨酸等)。在学习和记忆过程中,神经细胞NMDA受体
5、可能起着关键作用(如图7所示)。6第6页,此课件共66页哦 6模拟生命过程和生命体系的合成 生命过程小的基础物质蛋白质、核酸、糖和一些激素分子等,通过20世纪的研究已相继确定了它们的结构,并通过化学和生物方法可以进行合成。但这些基础物质如何配合起来产生生命现象和生命活动,则需要进一步研究。现今这方面的研究途径大体上有:模拟生命过程,合成生物功能分子及其类似物,组装成模型生物功能结构等等。人们注意到其中文要问题是生物分子问的相互作用,以及反应与反应间相互影响问题。二、材料科学 7第7页,此课件共66页哦8第8页,此课件共66页哦 1新型导电材料 (1)半导体材料 自从固体物理学家发现了纯半导体材
6、料硅和锗后,新型半导体材料的研究吸引着越来越多的科学家,可用于半导体的材料也愈来愈多。已经发现的混合型半导体为周期表第III主族与第V主族(磷、砷、锑)所产生的化合物,如锑化钢、砷化镓、磷化钢等。无定形半导体是由无定形硅制成。(2)超导材料 如前所述,人们努力创造各种超导体以提高临界转变温度。到1991年有两项重要发现:一是有机超导体的临界转变温度达到12.5K;另外,发现碱金属掺杂的C也具有超9第9页,此课件共66页哦 导性,临界转变温度达33K。到1993年俄罗斯LNGrigorov发现了经过氧化的聚丙烯体系能在300K呈现超导性。他采用Ziegler聚合法合成的聚丙烯溶于溶液后,沉积于铜
7、或钢的基体上,形成厚度为0.3100m的PP薄膜,经过3年空气中氧化后(或采用紫外线照射后放置几个星期),发现有一些局部超导点,其转变温度大于300K,局部超导点的直径0.1m这是有机超导体研究中所报导的唯一的转变温度,还要进一步证实。但有机超导体在短短的26年历史中,出现如此举世瞩目的结果,提示了未来追求的目标。(3)有机导体 能导电的有机固体是近年来发展较快的一个新兴领域。一般认为有机化合物是电绝缘体,在已经有的几百万种有10第10页,此课件共66页哦 机化合物中,大多数确是绝缘体。1974年日本的白川英树等在高浓度催化剂作用下合成了具有金属光泽的高顺式聚乙炔薄膜,后经AsF5或I2掺杂后
8、,呈现了明显的金属特性,电导率可达105。这比未掺杂前提高了十几个数量级。随后的研究相继发现了多种不同结构的导电高分子,如聚1,4亚苯、聚吡咯、聚苯硫醚、聚嚏吩、聚1,4亚苯基乙烯、聚苯胺等,经掺杂后可产生高电导率;并在光、电、磁及热电动势性能方面开展了深入研究,提出了孤子理论,极化子和双极化子理论等,成为一门新兴的交叉学科。11第11页,此课件共66页哦12第12页,此课件共66页哦 (4)有机磁性材料 近十余年来,科学家预言了几种具有特殊结构的有机化合物和高分子化合物可能具有磁性,如高分子金属配合物、分子内含氮氧稳定自由基团结构的有机化合物、平面大键结构的有机物以及电子转移复合物。化学家在
9、这四方面的探索颇有成绩。如以二茂铁为原料合成出室温下具有磁性、居里温度达摄氏200多度的高分子金属配合物,并发现用它们做成的磁性元件对电磁波的传输具有明显的低频率损耗系数和低湿度损耗系数的特点。这些动向说明有机磁性材料在高频电磁波通讯领域有潜在用途。13第13页,此课件共66页哦 2新型光学材料 (1)非线性光学材料 这是一种广泛应用子倍频器件、激光唱盘、激光订印、彩色打印、自聚焦透镜、红外成像、纤维光学等高科技领域的新型光学材料,在无机材料方面如BBO(偏硼酸钡)是一种优质的紫外倍频晶体材料,能输出最短的相干光波长,倍频效应大,抗光损伤能力高,调谐温度半宽度宽,广泛用于激光技术中。14第14
10、页,此课件共66页哦 (2)液晶和有机电致发光材料 随着信息技术的兴起,巨大的 显示器需求促使液晶材料飞速发展。电子显示是电子工业在20世纪末继 微电子和计算机之后的又一次大发 展机会。1994年-2000年,全球显示 器销售额从194亿美元增加到337亿美元。特别是笔记本电脑、各类通讯设备和日用电子产品的普及以及环保的要求,工作和家用电脑也逐步采用平板显示器,预期平极显示器生产将成为21世纪信息社会的支柱产业之一。15第15页,此课件共66页哦 (3)光开关材料 在处理光信号的过程中需要一种光学装置来开关、放大及储存光信号。设计合成这种光学装置的材料是至关重要的。正如以硅为基片的装置可以处理
11、电信号一样,目前的这种光装置所用的光开关材料是铝酸锂、砷化镓铝等。近年来的研究表明,一些新材料如聚乙炔、手性有机分子、液晶等显示了更优越的光学性能。在光开关材料这一领域中,新的发现及其实际应用的潜力都很大。3新型陶瓷材料 (1)工程陶瓷 目前有氮化硅、碳化硅,硅化钨、二氧化铝、三氧化铝等。这些材料具有耐热、高硬度、耐磨、耐腐蚀、相对密度小等特点。若能用于燃气轮机,可使工作温度从目前16第16页,此课件共66页哦 1100提高到1370,而热效率从60提高到80,是理想的发动机材料。但其致命缺点是脆性。近期研究表明:用不同配比的各种原料和陶瓷复合材料制成的纳米级原材料经烧结可提高韧性。这一发现吸
12、引了许多研究者,成为国际上研究的热点。预期合成陶瓷研究将使全陶瓷内燃机尽快成为现实。这是21世纪的新挑战,将使汽车发动机、喷气发动机、刀具、模具等方面面貌一新。(2)电气陶瓷 它以氧化铝为主体,经1500-1900烧结面成。具有压电陶瓷性能,就可实现机械能与电能的相互转变,用于压电振子、电波滤波器、压电变换器、通话器、声纳探伤器、点火器、毛发干燥器等。(3)超硬陶瓷材料17第17页,此课件共66页哦 金刚石是一种天然“陶瓷”。人造全刚石已进入工业生产。因为全刚石以碳结构为主,其高温抗氧化性能较差。现已研制出氮化硼材料,硬度仅次于全刚石,但高温抗氧化性能好。金刚石在800开始氧化,而立方氮化硼在
13、1200才开始氧化,这使它在耐高温超硬陶瓷材料方面有良好应用前景。(4)热敏元件陶瓷 半导体热敏陶瓷(PTC)具有正的温度系数,当温度上升到相变温度时,电阻急剧增大,可用于各种温控元件,如电热器、电饭堡、烤箱、干燥器等。湿敏元件其相对温度为90,电阻4.24,可用于空调机。新型陶瓷材料发展较快,超导材料实际上也是一种新18第18页,此课件共66页哦 型陶瓷,当然由于陶瓷材料的特殊性能,在研究和开发其应用前景时,需要不同学科交叉,共同来研究和探索出新的功能材料。4复合材料 (1)聚合物基复合材料 主要是指纤维增强聚合物材料。如将碳纤维包覆在环氧树脂中使复合材料强度增加,用于制造网球拍、高尔夫球相
14、和滑雪橇等。玻璃纤维复合材料为玻璃纤维与聚酯的复合体,可以用于结构材料,如汽车和飞机中的某些部件、桥体的结构材料和船体等,其强度可与钢材相比。增强的聚酰亚胺树脂可用于汽车的“塑料发动机”,使发动机重量减轻,节约燃料。19第19页,此课件共66页哦 (2)陶瓷基复合材料 为改变陶瓷的脆性,将石墨或聚合物纤维包覆在陶瓷中,制成的复合材料有一定的韧性,不易碎裂,且还可在极高的温度下使用。这类陶瓷基复合材料可望成为汽车、火箭发动机的新型结构材料。金属网陶瓷基材料具有超强刚性,可作为防弹衣的材料。(3)金属基复合材料 在金属表面涂层,可以保护金属表面或赋予金属表面某种特殊功能,如金属表面涂油漆以抗腐蚀;
15、金属表面作搪瓷内衬可制造化学反应釜;金属表面镀铬使表面光亮;金属表面涂以高分子弹性体赋予表面韧性,可作为抗气蚀材料用于水轮机、汽轮机的不锈钢叶片上,延长其使用年20第20页,此课件共66页哦 限;在纯的硅晶片上复合多层有专门功能的物质可用子计算机的集成电路片。近年来出现的钢硼纤维,5生物医学材料 由生物分子构成生物材料,再由生物材料构成生物部件。生物体内各种材料和部件有各自的生物功能。它们是“活”的,也是被整体生物控制的。生物材料中有的是结构材料,包括骨、牙等硬组织材料和肌肉、腔、皮肤等软组织;还有许多功能材料所构成的功能部件,如眼球晶状体是由晶状体蛋白包在上皮细胞组成的薄膜内而形成的无散射、
16、无吸收、可连续变焦的广角透镜。在生物体内生长有不同功能的材料和部件,材料科学的发展方向之一是模拟这些生物材料制造人工材料。它们可以做生物部件的人工21第21页,此课件共66页哦 代替物,也可以在非医学领域中使用。前者如人工瓣膜、人工关节等;后者则有模拟生物教合剂、模拟酶、模拟生物膜等。6新型合金材料 (1)轻质合金 铝-锂合金具有高比强度、高比刚度且相对密度小(2.5)的特点,如用作现代飞机蒙皮材料,一架大型客机可减轻重量50kg。以波音747为例,每减重1Kg,一年获利2000美元。钛合金相对密度为4.55,比钢轻,耐腐蚀,无磁性,强度高,用于舰艇材料。(2)贮氢合金 未来能源的开发中,氨是
17、一种发热高、无污染、无公22第22页,此课件共66页哦 害、取之不尽、用之不竭的能源,是能源研究的一个发展方向,关键问题是如何贮存氨?氢气是一种易燃易爆的气体,要在-253才液化。1968年美国首先发现MgNi合金具有贮氢功能,但要在250时才放出氢。后相继发理TiFe,TiMn,LaNi等合金也有贮氢功能。LaNi贮氢合金在常温、0.152MPa下就可放出氢,可用于汽车、燃料电池等,新型贮氢合金材料的发现和实际应用有待于2l世纪继续努力。(3)超耐热合金 镍钴合金能耐1200,用于喷气发动机和燃气轮机的构件。镍铬铁非磁性耐热合金在1200时仍具有高强度、韧性好的特点,可用于航天飞机的部件和原
18、于反应堆的控23第23页,此课件共66页哦 制捧等。寻找耐高温(1000以上)、可长时间运行(10000h以上)、耐腐蚀、高强度等要求的合金材料,仍是今后研究的方向。(4)形状记忆合金 它们具有高弹性、金属橡胶性能、高强度等特点,如NTi,AgCd,CuCd,CuA1Ni,CuAlZn等合金,可用作调节装置的弹性元件(如高合器,节流阀,温控元素等)、热引擎材料、医疗材料(牙齿矫正材料)等。在研制合金材料方面,如同复合材料一样,以功能和用途为原动力,设计和合成各种类型的新合金材料,如高性能结晶控制合金、非晶合金、超微粒于合金等等。这些是金属材料中最活跃的发展领域。24第24页,此课件共66页哦
19、7高分子材料 塑料、橡胶、纤维、涂料这四种广泛应用的高分子材料是20世纪人类文明的标志之一,也是提高人类生活质量的主要物质基础之一。这四大类高分子材料虽是传统材料,但却是发展最快、更新最快的材料。在未来高分子材料的研究中化学家要不断设计和合成性能更好、功能更完善的高分子化合物;还要掌握材料结构与其性质与功能的关系,有目的的去设计和研究。如目前正在研究中的高性能聚烯烃工程材料,抗滑、耐磨损、低生热轮胎橡胶,纳米纤维,无溶剂涂料,智能塑料等。25第25页,此课件共66页哦 三、环境化学 化学物质(包括天然的和人工的)在过去一个世纪中为人类进步和生活质量的提高起了不可替代的作用,今后还要起更大的作用
20、。但化学物质都有两面性,大量人工物质的开发和使用已造成对生态环境的冲击。人为造成的物理的和生物因子也同样有两面性。这几方面相互协同构成对人类未来的威胁。为了既要人类进步与生活质量提高,又要保护人类安全,所以保护环境的问题十分严峻。目前,人们已经注意到许多化学物质(实际上生物和能量也如此)在一定浓度、一定条件下会产生有利的效应;面在较高浓度或另外的条件下则会产生有害的作用。化学家的任务是找出最适合条件,以利用其有利的一面,防止其有害的一面。26第26页,此课件共66页哦 环境化学逐步成为一门新兴的交叉学科,它涉及到化学、物理学、生物学、地学、天文学、医学、工程技术和社会科学等多门学科,其综合性较
21、强。一个城市,一个国家,甚至世界上的环境问题,光靠化学家们的分析、检测、治理方案等还不能彻底解决问题,需各级政府的宏观调控手段和财力保证。如我国西南重镇重庆的酸雨问题。其空气的pH4.5,最低为2.8,主要成分为H2SO4和HNO3。这不是一、二个企业造威的,也不是环境化学所能解决的。这是因为四川、重庆所用的天然气中硫含量较高,西南地区的森林资源逐年减少等,所以必须由政府出面,投资解决基础设施,进行综合治理,如建立现代化天然气脱硫装置,严格控制天然气中硫含量。这样降低天然气燃烧时放出的二氧化硫绝对量,以减少酸雨形成。此外,封山造27第27页,此课件共66页哦 林,增加绿色覆盖率等等。当然从化学
22、角度未讲,环境化学的建立有助于从科学的角度来治理环境污染。1什么是环境化学 环境化学是研究环境中物质问相互作用的学科。包括研究天然物质、生物物质和合成化学物质在环境介质(大气、水体、土壤、生物)中的存在、化学特注、行为和效应,并在此基础上研究其控制的化学原理和方法。图11表示化学物质进入各种介质(如大气、水、土壤、生物)后通过迁移转化,动态地把各种介质联系起未,并在各种介质中表现出各自特有的环境化学行为和化学效应、从面形成了环境化学的有关分支学科:大气环境化学、水环境化学相土壤环境化学等。28第28页,此课件共66页哦29第29页,此课件共66页哦 2环境化学的研究方向 (1)环境分析化学 分
23、析和检测环境介质(大气、水、土壤、生物)中存在的有害物质,是环境分析化学的首要任务。鉴于近年来分析仪器的迅速发展,特别是分析仪器联用技术的出现,如GCMs,LC/MS,MS/MS,HPLC/ESI MS,GCAED,HPLC/APIMS(大气压电离质谱)等,使分析的灵敏度大大提高,从痕量分析10-12级发展到超痕量分析10-15级。这对环境分析化学的发展起了很重要的作用。环境分析化学需要解决的关键问题有:样品采集和保存等前处理问题,物种分析,现场实时分析监测,瞬态物种的测定以及对难挥发性化合物、强极性化合物的分析等。虽然有机化合物和金属有机化合物的环境分析发展很快,但在污染物浓度极30第30页
24、,此课件共66页哦 低、样品组成复杂、毒物转化迅速等情况下分析监视仍有一定难度。要达到高灵敏度、瞬时快速和在线分析,还需要进行大量基础性研究工作。另外,建立环境分析的数据库并联网,这将是今后的发展方向。(2)大气环境化学 主要研究大气污染物的物理化学表征,环境中的化学反应动力学,大气光化学机制及自由基反应过程等。由于大气中颗粒物的增多,微粒组成及其对生态或健康的影响越来越显得重要,因此研究重点由均相化学体系转向非均相化学体系。其中对多种分子组成的微粒,其分子形态的研究,即多分于聚集体系如何组成微粒以及它们对大气环境的影响,将成为全球性环境问题热点。31第31页,此课件共66页哦 (3)水环境化
25、学 水是人类赖以生存的珍贵资源。由于海水占全球水资源的97.2,实际上淡水资源满足不了人类的需求,缺淡水是全球而临的主要威胁之一。因此保护水资源不受污染是水环境化学的主要研究方向。近年来,对水环境化学有热力学和动力学研究两个方而:一个以化学平衡原理为主,一个研究环境化学过程的速率及反应机制。由此建立的模型和模式逼近真实,已在天然水体化学的最重要的方面逐渐进入定量化研究阶段。在面体-7k的界面化学研究方面。特别是对因体表面和溶质相互作用的吸附过程的研究,已相当深入。无论是对颗粒物之间胶体化学系统和行为的研究,还是对地球化学过程速率和规模的定量处理等方面,界面化学都是很重要的。32第32页,此课件
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- 第三 现代 化学 进展 课件
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