現(xiàn)代化學(xué)進(jìn)展 第三章

1、1 第三章第三章 交叉學(xué)科和熱點(diǎn)研究領(lǐng)域交叉學(xué)科和熱點(diǎn)研究領(lǐng)域 近代科學(xué)發(fā)展特別是科學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)和國(guó)計(jì)民生中的重大社會(huì)問(wèn)題的解決，常常涉及不同學(xué)科的相互交叉和相互滲透。學(xué)科交叉逐漸形成一批交叉學(xué)科，如化學(xué)與物理學(xué)的交叉形成了物理化學(xué)和化學(xué)物理學(xué)，化學(xué)與生物學(xué)的交叉形成了生物化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)，物理學(xué)與生物學(xué)交叉形成了生物物理學(xué)等。這些交叉學(xué)科的不斷發(fā)展大大地推動(dòng)了科學(xué)進(jìn)步，因此學(xué)科交叉研究體現(xiàn)了科學(xué)向綜合性發(fā)展的趨勢(shì)?？茖W(xué)上的新理論、新發(fā)明的產(chǎn)生，新的工程技術(shù)的出現(xiàn)，經(jīng)常是在學(xué)科的邊緣或交叉點(diǎn)上，重視交叉學(xué)科將使科學(xué)本身向著更深層次和更高水平發(fā)展，這是符合自然界存在的客觀規(guī)律的。由于現(xiàn)有的學(xué)科

2、是人為劃分 的，而科學(xué)問(wèn)題是客觀存在的，根據(jù)人們的認(rèn)識(shí)水平，過(guò)2 去只有天文學(xué)、地理(地質(zhì))、生物、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)六個(gè)一級(jí)學(xué)科；而經(jīng)過(guò)20世紀(jì)科學(xué)的發(fā)展和交叉研究，又逐漸形成了新的交叉學(xué)科，如生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等。下而將分別展望一些交叉學(xué)科和可能成為熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域的動(dòng)向。 一、生命科學(xué)3 1生命的基礎(chǔ)物質(zhì)研究 構(gòu)成生物的生命活性物質(zhì)有蛋白質(zhì)、核酸、糖等生物大分子和激素、神經(jīng)遞質(zhì)、細(xì)胞因子等生物小分子。目前已經(jīng)研究和確定了許多生物大分子的結(jié)構(gòu)。 2遺傳物質(zhì)的作用 人體基因組中有數(shù)以億計(jì)的DNA核苷酸單元，其中真正用于規(guī)定蛋白質(zhì)中氨基酸序列的密碼約占10左右，那么其余90左右的DNA核

3、昔酸單元起什么作用?最近研究表明，DNA核苷酸序列中還表達(dá)一類為DNA構(gòu)象編碼的信息。如人體內(nèi)組成蛋白質(zhì)的氨基酸均為L(zhǎng)構(gòu)型，為什么?與州A有關(guān)的空間立體構(gòu)象的變化雖是由于圍繞著單鍵的4 相對(duì)自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的，但空間立體構(gòu)象的不同，有其微小的能量差別。或許不同的DNA有不同的空間立體構(gòu)象的選擇性，這是否與手性識(shí)別有關(guān)?當(dāng)然這是一個(gè)構(gòu)象信息，也是目前化學(xué)研究中的一個(gè)重要問(wèn)題。有90左右的DNA的功能和作用還沒(méi)有完全了解。這是一個(gè)很廣泛和復(fù)雜的研究領(lǐng)域。有待2l世紀(jì)人們的努力。數(shù)以億計(jì)的DNA核苷酸單元不是一個(gè)小數(shù)目，要投人大量的研究力量，才有可能逐漸搞清楚。 3人類基因組計(jì)劃 人類基因組計(jì)劃是生

4、命科學(xué)中迄今為止最浩大的工程，也是目前人體科學(xué)研究的一個(gè)主流，是從認(rèn)識(shí)外在世界的科學(xué)規(guī)律轉(zhuǎn)向認(rèn)識(shí)人類自身的一項(xiàng)生命科學(xué)重大基礎(chǔ)5 研究。完成人類基因組計(jì)劃要測(cè)定約10萬(wàn)條基因的結(jié)構(gòu)和位置，以及這些基因的全部3109個(gè)核苷酸的序列。21世紀(jì)初，這項(xiàng)研究無(wú)疑地成為生命科學(xué)的首要任務(wù)。這一部分工作主要由生物學(xué)家去做，那么化學(xué)研究者可以做什么?這是值得認(rèn)真考慮的。 4酶結(jié)構(gòu)和催化功能的關(guān)系研究 生物體內(nèi)進(jìn)行的各種生物化學(xué)反應(yīng)，均藉助于酶的催化功能。迄今為止，所研究的酶絕大多數(shù)都是蛋白質(zhì)。在酶的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)、作用機(jī)理及模擬酶方面已經(jīng)取得很多進(jìn)展，但是所研究的酶只能說(shuō)是酶中的一小部分。即使這些研究過(guò)的酶也只

5、能了解其一部分。今后發(fā)現(xiàn)斷酶，深人研究酶結(jié)構(gòu)還是有許多工作要做的。20世紀(jì)后期有一個(gè)關(guān)6 于酶的重要發(fā)現(xiàn)，即TRCech和SAttman發(fā)現(xiàn)RNA的酶活性。 5腦科學(xué) 在現(xiàn)在生命科學(xué)中，腦科學(xué)處 于正在上升的地位。腦的高級(jí)功能 來(lái)自于腦的特殊結(jié)構(gòu)。腦組織中約有100億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞。通過(guò)神經(jīng)細(xì)胞的信息傳通，是由一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞釋放神經(jīng)遞質(zhì)通過(guò)神經(jīng)問(wèn)的突觸而結(jié)合在另一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞膜的受體上完成的。神經(jīng)遞質(zhì)都是一些小分于。有興奮性神經(jīng)遞質(zhì)(如谷氨酸、乙酸膽堿等)和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)(Y氨基丁酸、甘氨酸等)。在學(xué)習(xí)和記憶過(guò)程中，神經(jīng)細(xì)胞NMDA受體可能起著關(guān)鍵作用(如圖7所示)。 7 6模擬生命過(guò)程和生命體系的合

6、成 生命過(guò)程小的基礎(chǔ)物質(zhì)蛋白質(zhì)、核酸、糖和一些激素分子等，通過(guò)20世紀(jì)的研究已相繼確定了它們的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)化學(xué)和生物方法可以進(jìn)行合成。但這些基礎(chǔ)物質(zhì)如何配合起來(lái)產(chǎn)生生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)，則需要進(jìn)一步研究?，F(xiàn)今這方面的研究途徑大體上有：模擬生命過(guò)程，合成生物功能分子及其類似物，組裝成模型生物功能結(jié)構(gòu)等等。人們注意到其中文要問(wèn)題是生物分子問(wèn)的相互作用，以及反應(yīng)與反應(yīng)間相互影響問(wèn)題。 二、材料科學(xué) 89 1新型導(dǎo)電材料 （1）半導(dǎo)體材料 自從固體物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了純半導(dǎo)體材料硅和鍺后，新型半導(dǎo)體材料的研究吸引著越來(lái)越多的科學(xué)家，可用于半導(dǎo)體的材料也愈來(lái)愈多。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的混合型半導(dǎo)體為周期表第III主族與第V

7、主族(磷、砷、銻)所產(chǎn)生的化合物，如銻化鋼、砷化鎵、磷化鋼等。無(wú)定形半導(dǎo)體是由無(wú)定形硅制成。 （2）超導(dǎo)材料 如前所述，人們努力創(chuàng)造各種超導(dǎo)體以提高臨界轉(zhuǎn)變溫度。到1991年有兩項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)：一是有機(jī)超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到12.5K；另外,發(fā)現(xiàn)堿金屬摻雜的C也具有超10 導(dǎo)性，臨界轉(zhuǎn)變溫度達(dá)33K。到1993年俄羅斯LNGrigorov發(fā)現(xiàn)了經(jīng)過(guò)氧化的聚丙烯體系能在300K呈現(xiàn)超導(dǎo)性。他采用Ziegler聚合法合成的聚丙烯溶于溶液后，沉積于銅或鋼的基體上，形成厚度為0.3100m的PP薄膜，經(jīng)過(guò)3年空氣中氧化后(或采用紫外線照射后放置幾個(gè)星期)，發(fā)現(xiàn)有一些局部超導(dǎo)點(diǎn)，其轉(zhuǎn)變溫度大于300K，局

8、部超導(dǎo)點(diǎn)的直徑0.1m這是有機(jī)超導(dǎo)體研究中所報(bào)導(dǎo)的唯一的轉(zhuǎn)變溫度，還要進(jìn)一步證實(shí)。但有機(jī)超導(dǎo)體在短短的26年歷史中，出現(xiàn)如此舉世矚目的結(jié)果，提示了未來(lái)追求的目標(biāo)。 （3）有機(jī)導(dǎo)體 能導(dǎo)電的有機(jī)固體是近年來(lái)發(fā)展較快的一個(gè)新興領(lǐng)域。一般認(rèn)為有機(jī)化合物是電絕緣體，在已經(jīng)有的幾百萬(wàn)種有11 機(jī)化合物中，大多數(shù)確是絕緣體。1974年日本的白川英樹(shù)等在高濃度催化劑作用下合成了具有金屬光澤的高順式聚乙炔薄膜，后經(jīng)AsF5或I2摻雜后，呈現(xiàn)了明顯的金屬特性，電導(dǎo)率可達(dá)105。這比未摻雜前提高了十幾個(gè)數(shù)量級(jí)。隨后的研究相繼發(fā)現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電高分子，如聚1，4亞苯、聚吡咯、聚苯硫醚、聚嚏吩、聚1，4亞苯基乙

9、烯、聚苯胺等，經(jīng)摻雜后可產(chǎn)生高電導(dǎo)率；并在光、電、磁及熱電動(dòng)勢(shì)性能方面開(kāi)展了深入研究，提出了孤子理論，極化子和雙極化子理論等，成為一門新興的交叉學(xué)科。1213 （4）有機(jī)磁性材料 近十余年來(lái)，科學(xué)家預(yù)言了幾種具有特殊結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物和高分子化合物可能具有磁性，如高分子金屬配合物、分子內(nèi)含氮氧穩(wěn)定自由基團(tuán)結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物、平面大鍵結(jié)構(gòu)的有機(jī)物以及電子轉(zhuǎn)移復(fù)合物?；瘜W(xué)家在這四方面的探索頗有成績(jī)。如以二茂鐵為原料合成出室溫下具有磁性、居里溫度達(dá)攝氏200多度的高分子金屬配合物，并發(fā)現(xiàn)用它們做成的磁性元件對(duì)電磁波的傳輸具有明顯的低頻率損耗系數(shù)和低濕度損耗系數(shù)的特點(diǎn)。這些動(dòng)向說(shuō)明有機(jī)磁性材料在高頻電磁波

10、通訊領(lǐng)域有潛在用途。14 2新型光學(xué)材料 （1）非線性光學(xué)材料 這是一種廣泛應(yīng)用子倍頻器件、激光唱盤、激光訂印、彩色打印、自聚焦透鏡、紅外成像、纖維光學(xué)等高科技領(lǐng)域的新型光學(xué)材料，在無(wú)機(jī)材料方面如BBO(偏硼酸鋇)是一種優(yōu)質(zhì)的紫外倍頻晶體材料，能輸出最短的相干光波長(zhǎng)，倍頻效應(yīng)大，抗光損傷能力高，調(diào)諧溫度半寬度寬，廣泛用于激光技術(shù)中。 15 （2）液晶和有機(jī)電致發(fā)光材料 隨著信息技術(shù)的興起，巨大的 顯示器需求促使液晶材料飛速發(fā)展。 電子顯示是電子工業(yè)在20世紀(jì)末繼 微電子和計(jì)算機(jī)之后的又一次大發(fā) 展機(jī)會(huì)。1994年-2000年，全球顯示 器銷售額從194億美元增加到337億美元。特別是筆記本電腦

11、、各類通訊設(shè)備和日用電子產(chǎn)品的普及以及環(huán)保的要求，工作和家用電腦也逐步采用平板顯示器，預(yù)期平極顯示器生產(chǎn)將成為21世紀(jì)信息社會(huì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。16 （3）光開(kāi)關(guān)材料 在處理光信號(hào)的過(guò)程中需要一種光學(xué)裝置來(lái)開(kāi)關(guān)、放大及儲(chǔ)存光信號(hào)。設(shè)計(jì)合成這種光學(xué)裝置的材料是至關(guān)重要的。正如以硅為基片的裝置可以處理電信號(hào)一樣，目前的這種光裝置所用的光開(kāi)關(guān)材料是鋁酸鋰、砷化鎵鋁等。近年來(lái)的研究表明，一些新材料如聚乙炔、手性有機(jī)分子、液晶等顯示了更優(yōu)越的光學(xué)性能。在光開(kāi)關(guān)材料這一領(lǐng)域中，新的發(fā)現(xiàn)及其實(shí)際應(yīng)用的潛力都很大。 3新型陶瓷材料 （1）工程陶瓷 目前有氮化硅、碳化硅，硅化鎢、二氧化鋁、三氧化鋁等。這些材料具有

12、耐熱、高硬度、耐磨、耐腐蝕、相對(duì)密度小等特點(diǎn)。若能用于燃?xì)廨啓C(jī)，可使工作溫度從目前17 1100提高到1370，而熱效率從60提高到80，是理想的發(fā)動(dòng)機(jī)材料。但其致命缺點(diǎn)是脆性。近期研究表明：用不同配比的各種原料和陶瓷復(fù)合材料制成的納米級(jí)原材料經(jīng)燒結(jié)可提高韌性。這一發(fā)現(xiàn)吸引了許多研究者，成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。預(yù)期合成陶瓷研究將使全陶瓷內(nèi)燃機(jī)盡快成為現(xiàn)實(shí)。這是21世紀(jì)的新挑戰(zhàn)，將使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、刀具、模具等方面面貌一新。 （2）電氣陶瓷 它以氧化鋁為主體，經(jīng)1500-1900燒結(jié)面成。具有壓電陶瓷性能，就可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)變，用于壓電振子、電波濾波器、壓電變換器、通話器、聲納探

13、傷器、點(diǎn)火器、毛發(fā)干燥器等。 （3）超硬陶瓷材料18 金剛石是一種天然“陶瓷”。人造全剛石已進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)。因?yàn)槿珓偸蕴冀Y(jié)構(gòu)為主，其高溫抗氧化性能較差?，F(xiàn)已研制出氮化硼材料，硬度僅次于全剛石，但高溫抗氧化性能好。金剛石在800開(kāi)始氧化，而立方氮化硼在1200才開(kāi)始氧化，這使它在耐高溫超硬陶瓷材料方面有良好應(yīng)用前景。 （4）熱敏元件陶瓷 半導(dǎo)體熱敏陶瓷(PTC)具有正的溫度系數(shù)，當(dāng)溫度上升到相變溫度時(shí)，電阻急劇增大，可用于各種溫控元件，如電熱器、電飯堡、烤箱、干燥器等。濕敏元件其相對(duì)溫度為90，電阻4.24，可用于空調(diào)機(jī)。 新型陶瓷材料發(fā)展較快，超導(dǎo)材料實(shí)際上也是一種新19 型陶瓷，當(dāng)然由于陶瓷

14、材料的特殊性能，在研究和開(kāi)發(fā)其應(yīng)用前景時(shí)，需要不同學(xué)科交叉，共同來(lái)研究和探索出新的功能材料。 4復(fù)合材料 （1）聚合物基復(fù)合材料 主要是指纖維增強(qiáng)聚合物材料。如將碳纖維包覆在環(huán)氧樹(shù)脂中使復(fù)合材料強(qiáng)度增加，用于制造網(wǎng)球拍、高爾夫球相和滑雪橇等。玻璃纖維復(fù)合材料為玻璃纖維與聚酯的復(fù)合體，可以用于結(jié)構(gòu)材料，如汽車和飛機(jī)中的某些部件、橋體的結(jié)構(gòu)材料和船體等，其強(qiáng)度可與鋼材相比。增強(qiáng)的聚酰亞胺樹(shù)脂可用于汽車的“塑料發(fā)動(dòng)機(jī)”，使發(fā)動(dòng)機(jī)重量減輕，節(jié)約燃料。20 （2）陶瓷基復(fù)合材料 為改變陶瓷的脆性，將石墨或聚合物纖維包覆在陶瓷中，制成的復(fù)合材料有一定的韌性，不易碎裂，且還可在極高的溫度下使用。這類陶瓷基復(fù)

15、合材料可望成為汽車、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的新型結(jié)構(gòu)材料。金屬網(wǎng)陶瓷基材料具有超強(qiáng)剛性，可作為防彈衣的材料。 （3）金屬基復(fù)合材料 在金屬表面涂層，可以保護(hù)金屬表面或賦予金屬表面某種特殊功能，如金屬表面涂油漆以抗腐蝕；金屬表面作搪瓷內(nèi)襯可制造化學(xué)反應(yīng)釜；金屬表面鍍鉻使表面光亮；金屬表面涂以高分子彈性體賦予表面韌性，可作為抗氣蝕材料用于水輪機(jī)、汽輪機(jī)的不銹鋼葉片上，延長(zhǎng)其使用年21 限；在純的硅晶片上復(fù)合多層有專門功能的物質(zhì)可用子計(jì)算機(jī)的集成電路片。近年來(lái)出現(xiàn)的鋼硼纖維， 5生物醫(yī)學(xué)材料 由生物分子構(gòu)成生物材料，再由生物材料構(gòu)成生物部件。生物體內(nèi)各種材料和部件有各自的生物功能。它們是“活”的，也是被整體生物

16、控制的。生物材料中有的是結(jié)構(gòu)材料，包括骨、牙等硬組織材料和肌肉、腔、皮膚等軟組織；還有許多功能材料所構(gòu)成的功能部件，如眼球晶狀體是由晶狀體蛋白包在上皮細(xì)胞組成的薄膜內(nèi)而形成的無(wú)散射、無(wú)吸收、可連續(xù)變焦的廣角透鏡。在生物體內(nèi)生長(zhǎng)有不同功能的材料和部件，材料科學(xué)的發(fā)展方向之一是模擬這些生物材料制造人工材料。它們可以做生物部件的人工22 代替物，也可以在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中使用。前者如人工瓣膜、人工關(guān)節(jié)等；后者則有模擬生物教合劑、模擬酶、模擬生物膜等。 6新型合金材料 （1）輕質(zhì)合金 鋁-鋰合金具有高比強(qiáng)度、高比剛度且相對(duì)密度小(2.5)的特點(diǎn)，如用作現(xiàn)代飛機(jī)蒙皮材料，一架大型客機(jī)可減輕重量50kg。以波音

17、747為例，每減重1Kg，一年獲利2000美元。鈦合金相對(duì)密度為4.55，比鋼輕，耐腐蝕，無(wú)磁性，強(qiáng)度高，用于艦艇材料。 （2）貯氫合金 未來(lái)能源的開(kāi)發(fā)中，氨是一種發(fā)熱高、無(wú)污染、無(wú)公23 害、取之不盡、用之不竭的能源，是能源研究的一個(gè)發(fā)展方向，關(guān)鍵問(wèn)題是如何貯存氨?氫氣是一種易燃易爆的氣體，要在-253才液化。1968年美國(guó)首先發(fā)現(xiàn)MgNi合金具有貯氫功能，但要在250時(shí)才放出氫。后相繼發(fā)理TiFe，TiMn，LaNi等合金也有貯氫功能。LaNi貯氫合金在常溫、0.152MPa下就可放出氫，可用于汽車、燃料電池等，新型貯氫合金材料的發(fā)現(xiàn)和實(shí)際應(yīng)用有待于2l世紀(jì)繼續(xù)努力。 （3）超耐熱合金 鎳

18、鈷合金能耐1200，用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的構(gòu)件。鎳鉻鐵非磁性耐熱合金在1200時(shí)仍具有高強(qiáng)度、韌性好的特點(diǎn)，可用于航天飛機(jī)的部件和原于反應(yīng)堆的控24 制捧等。尋找耐高溫(1000以上)、可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行(10000h以上)、耐腐蝕、高強(qiáng)度等要求的合金材料，仍是今后研究的方向。 （4）形狀記憶合金 它們具有高彈性、金屬橡膠性能、高強(qiáng)度等特點(diǎn)，如NTi，AgCd，CuCd，CuA1Ni，CuAlZn等合金，可用作調(diào)節(jié)裝置的彈性元件(如高合器，節(jié)流閥，溫控元素等)、熱引擎材料、醫(yī)療材料(牙齒矯正材料)等。在研制合金材料方面，如同復(fù)合材料一樣，以功能和用途為原動(dòng)力，設(shè)計(jì)和合成各種類型的新合金材料，如高

19、性能結(jié)晶控制合金、非晶合金、超微粒于合金等等。這些是金屬材料中最活躍的發(fā)展領(lǐng)域。25 7高分子材料 塑料、橡膠、纖維、涂料這四種廣泛應(yīng)用的高分子材料是20世紀(jì)人類文明的標(biāo)志之一，也是提高人類生活質(zhì)量的主要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。這四大類高分子材料雖是傳統(tǒng)材料，但卻是發(fā)展最快、更新最快的材料。在未來(lái)高分子材料的研究中化學(xué)家要不斷設(shè)計(jì)和合成性能更好、功能更完善的高分子化合物；還要掌握材料結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)與功能的關(guān)系，有目的的去設(shè)計(jì)和研究。如目前正在研究中的高性能聚烯烴工程材料，抗滑、耐磨損、低生熱輪胎橡膠，納米纖維，無(wú)溶劑涂料，智能塑料等。26 三、環(huán)境化學(xué) 化學(xué)物質(zhì)(包括天然的和人工的)在過(guò)去一個(gè)世紀(jì)中為人類

20、進(jìn)步和生活質(zhì)量的提高起了不可替代的作用，今后還要起更大的作用。但化學(xué)物質(zhì)都有兩面性，大量人工物質(zhì)的開(kāi)發(fā)和使用已造成對(duì)生態(tài)環(huán)境的沖擊。人為造成的物理的和生物因子也同樣有兩面性。這幾方面相互協(xié)同構(gòu)成對(duì)人類未來(lái)的威脅。為了既要人類進(jìn)步與生活質(zhì)量提高，又要保護(hù)人類安全，所以保護(hù)環(huán)境的問(wèn)題十分嚴(yán)峻。目前，人們已經(jīng)注意到許多化學(xué)物質(zhì)(實(shí)際上生物和能量也如此)在一定濃度、一定條件下會(huì)產(chǎn)生有利的效應(yīng)；面在較高濃度或另外的條件下則會(huì)產(chǎn)生有害的作用?；瘜W(xué)家的任務(wù)是找出最適合條件，以利用其有利的一面，防止其有害的一面。27 環(huán)境化學(xué)逐步成為一門新興的交叉學(xué)科，它涉及到化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、地學(xué)、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程技

21、術(shù)和社會(huì)科學(xué)等多門學(xué)科，其綜合性較強(qiáng)。一個(gè)城市，一個(gè)國(guó)家，甚至世界上的環(huán)境問(wèn)題，光靠化學(xué)家們的分析、檢測(cè)、治理方案等還不能徹底解決問(wèn)題，需各級(jí)政府的宏觀調(diào)控手段和財(cái)力保證。如我國(guó)西南重鎮(zhèn)重慶的酸雨問(wèn)題。其空氣的pH4.5，最低為2.8，主要成分為H2SO4和HNO3。這不是一、二個(gè)企業(yè)造威的，也不是環(huán)境化學(xué)所能解決的。這是因?yàn)樗拇ā⒅貞c所用的天然氣中硫含量較高，西南地區(qū)的森林資源逐年減少等，所以必須由政府出面，投資解決基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)行綜合治理，如建立現(xiàn)代化天然氣脫硫裝置，嚴(yán)格控制天然氣中硫含量。這樣降低天然氣燃燒時(shí)放出的二氧化硫絕對(duì)量，以減少酸雨形成。此外，封山造28 林，增加綠色覆蓋率等等。當(dāng)

22、然從化學(xué)角度未講，環(huán)境化學(xué)的建立有助于從科學(xué)的角度來(lái)治理環(huán)境污染。 1什么是環(huán)境化學(xué) 環(huán)境化學(xué)是研究環(huán)境中物質(zhì)問(wèn)相互作用的學(xué)科。包括研究天然物質(zhì)、生物物質(zhì)和合成化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)(大氣、水體、土壤、生物)中的存在、化學(xué)特注、行為和效應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上研究其控制的化學(xué)原理和方法。圖11表示化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入各種介質(zhì)(如大氣、水、土壤、生物)后通過(guò)遷移轉(zhuǎn)化，動(dòng)態(tài)地把各種介質(zhì)聯(lián)系起未，并在各種介質(zhì)中表現(xiàn)出各自特有的環(huán)境化學(xué)行為和化學(xué)效應(yīng)、從面形成了環(huán)境化學(xué)的有關(guān)分支學(xué)科：大氣環(huán)境化學(xué)、水環(huán)境化學(xué)相土壤環(huán)境化學(xué)等。 2930 2環(huán)境化學(xué)的研究方向 （1）環(huán)境分析化學(xué) 分析和檢測(cè)環(huán)境介質(zhì)(大氣、水、土壤、生物)

23、中存在的有害物質(zhì)，是環(huán)境分析化學(xué)的首要任務(wù)。鑒于近年來(lái)分析儀器的迅速發(fā)展，特別是分析儀器聯(lián)用技術(shù)的出現(xiàn)，如GCMs，LC/MS，MS/MS，HPLC/ESI MS，GCAED，HPLC/APIMS(大氣壓電離質(zhì)譜)等，使分析的靈敏度大大提高，從痕量分析10-12級(jí)發(fā)展到超痕量分析10-15級(jí)。這對(duì)環(huán)境分析化學(xué)的發(fā)展起了很重要的作用。環(huán)境分析化學(xué)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題有：樣品采集和保存等前處理問(wèn)題，物種分析，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)分析監(jiān)測(cè)，瞬態(tài)物種的測(cè)定以及對(duì)難揮發(fā)性化合物、強(qiáng)極性化合物的分析等。雖然有機(jī)化合物和金屬有機(jī)化合物的環(huán)境分析發(fā)展很快，但在污染物濃度極31 低、樣品組成復(fù)雜、毒物轉(zhuǎn)化迅速等情況下分析監(jiān)視

24、仍有一定難度。要達(dá)到高靈敏度、瞬時(shí)快速和在線分析，還需要進(jìn)行大量基礎(chǔ)性研究工作。另外，建立環(huán)境分析的數(shù)據(jù)庫(kù)并聯(lián)網(wǎng)，這將是今后的發(fā)展方向。 （2）大氣環(huán)境化學(xué) 主要研究大氣污染物的物理化學(xué)表征，環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，大氣光化學(xué)機(jī)制及自由基反應(yīng)過(guò)程等。由于大氣中顆粒物的增多，微粒組成及其對(duì)生態(tài)或健康的影響越來(lái)越顯得重要，因此研究重點(diǎn)由均相化學(xué)體系轉(zhuǎn)向非均相化學(xué)體系。其中對(duì)多種分子組成的微粒，其分子形態(tài)的研究，即多分于聚集體系如何組成微粒以及它們對(duì)大氣環(huán)境的影響，將成為全球性環(huán)境問(wèn)題熱點(diǎn)。 32 （3）水環(huán)境化學(xué) 水是人類賴以生存的珍貴資源。由于海水占全球水資源的97.2，實(shí)際上淡水資源滿足不了人

25、類的需求，缺淡水是全球而臨的主要威脅之一。因此保護(hù)水資源不受污染是水環(huán)境化學(xué)的主要研究方向。近年來(lái)，對(duì)水環(huán)境化學(xué)有熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究?jī)蓚€(gè)方而：一個(gè)以化學(xué)平衡原理為主，一個(gè)研究環(huán)境化學(xué)過(guò)程的速率及反應(yīng)機(jī)制。由此建立的模型和模式逼近真實(shí)，已在天然水體化學(xué)的最重要的方面逐漸進(jìn)入定量化研究階段。在面體-7k的界面化學(xué)研究方面。特別是對(duì)因體表面和溶質(zhì)相互作用的吸附過(guò)程的研究，已相當(dāng)深入。無(wú)論是對(duì)顆粒物之間膠體化學(xué)系統(tǒng)和行為的研究，還是對(duì)地球化學(xué)過(guò)程速率和規(guī)模的定量處理等方面，界面化學(xué)都是很重要的。33 研究顆粒物之間相互作用的界面化學(xué)涉及眾多環(huán)境問(wèn)題，如土壤沉積物間有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的環(huán)境行為，水與底泥界面

26、營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化及其向水體中的再釋放的過(guò)程和機(jī)制，表層水中污染物的行為以及與大氣之間的界面反應(yīng)和水污染控制等過(guò)程的研究中，界面過(guò)程均屬有廣泛實(shí)際意義的基礎(chǔ)性研究?jī)?nèi)容。 大氣和水的相互作用、土壤和水的相互作用均為水環(huán)境化學(xué)中的重要研究?jī)?nèi)容。大氣中的微粒、土壤中的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物均是水污染的來(lái)源，它們之間相互作用的過(guò)程和機(jī)理及其環(huán)境行為均為重要的研究?jī)?nèi)容。 34 （4）土壤環(huán)境化學(xué) 全球土壤生態(tài)環(huán)境受到農(nóng)藥、化肥、生物質(zhì)燃燒、大氣污染物的沉降、酸雨、污水灌溉、工業(yè)和生活廢物的堆埋等污染。在污染的土壤中生長(zhǎng)的食物直接和間接地威脅著人類安全。因此必需加強(qiáng)化學(xué)污染物(包括有機(jī)物、無(wú)機(jī)物等)在土壤中的分配、吸

27、附、擴(kuò)散、流動(dòng)、降解過(guò)程和機(jī)理的基礎(chǔ)研究，并且要制定土壤環(huán)境中化學(xué)污染物的允許程度，如何控制和修復(fù)受污染的土壤，為保護(hù)土壤生態(tài)環(huán)境和土地有效利用提供必要的科學(xué)根據(jù)。對(duì)可耕地，要一個(gè)地區(qū)一個(gè)地區(qū)地分析檢測(cè)，建立基準(zhǔn)，進(jìn)行研究。35 （5）元素化學(xué)循環(huán) 全球性元素循環(huán)研究在不斷發(fā)展，待別是汞、鉛、氮、磷等的轉(zhuǎn)化和遷移過(guò)程的環(huán)境化學(xué)過(guò)程。汞污染是個(gè)全球性的問(wèn)題，不同形態(tài)的汞會(huì)引起不同生態(tài)反應(yīng)：金屬汞會(huì)引起人的脫發(fā)，以至嚴(yán)重的會(huì)造成死亡；有機(jī)汞如甲基汞對(duì)胎兒健康有影響。鉛的污染也很嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查我國(guó)有一半城市兒童的血鉛含量已超過(guò)國(guó)際公認(rèn)的鉛中毒標(biāo)準(zhǔn)，且影響他們的智力發(fā)育。大量使用氮肥和生物固氮，使大量氮

28、化合物排人大氣，并使貯存態(tài)氮轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)氮如N2O，NH3，N2等。目前世界上已發(fā)現(xiàn)不少生態(tài)系統(tǒng)顯示出N03-和NH4+的濃度大大的增長(zhǎng)。這對(duì)一些地區(qū)的土壤、森林、飲用水質(zhì)、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的酸度帶來(lái)不利影響。由于磷是36 生物的一個(gè)關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素，但使用大量磷肥和含磷洗滌劑會(huì)使大量的磷進(jìn)人水和土壤中，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。應(yīng)大力加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，搞清楚這些元素的生態(tài)循環(huán)過(guò)程和機(jī)理，并作出相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)措施。 （6）控制污染的化學(xué) 以污染預(yù)防為主的一體化污染控制方式正在取代過(guò)去傳統(tǒng)的頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳的“管端”污染治理方式。要研究和強(qiáng)調(diào)化學(xué)反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性、高選擇性、高反應(yīng)活性和環(huán)境友好性。在化學(xué)反應(yīng)的

29、設(shè)計(jì)上去解決和控制污染問(wèn)題，這是根治的辦法(詳見(jiàn)下節(jié)綠色化學(xué)中的敘述)，并要研究如何用這些方法去改造老的化學(xué)過(guò)程和企業(yè)。另一方面對(duì)現(xiàn)有工業(yè)的三廢處理亦不能放松，如石油化工、煤化37 工、天然氣化工及皮革、造紙、塑膠等工業(yè)，要努力做到化學(xué)生產(chǎn)過(guò)程和環(huán)境治理相結(jié)合，這也是控制污染化學(xué)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。 （7）環(huán)境計(jì)算化學(xué) 環(huán)境計(jì)算化學(xué)和數(shù)學(xué)、物理有關(guān)學(xué)科相結(jié)合，使以經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的環(huán)境化學(xué)研究趨于更加科學(xué)化和理論化，并解決了一些過(guò)去難以進(jìn)行數(shù)值求解的問(wèn)題，擴(kuò)展了環(huán)境化學(xué)的應(yīng)用范圍，這是一個(gè)應(yīng)該重視的新興領(lǐng)域。環(huán)境計(jì)算化學(xué)研究主要包括多組分體系定量分析，數(shù)據(jù)處理中將隨機(jī)變量引人多元統(tǒng)計(jì)分析方法，

30、遺傳算法等。大氣、水體、土壤環(huán)境過(guò)程模擬和模式得到進(jìn)一步發(fā)展，如模擬水稻田釋放甲烷，小麥釋放NO2，高密度有毒氣體擴(kuò)散過(guò)38 程模擬等。人工智能在環(huán)境化學(xué)中的應(yīng)用包括神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和模糊數(shù)學(xué)等方面。環(huán)境化學(xué)過(guò)程(工藝)的模糊控制在不久將來(lái)可望獲得成功。 四、綠色化學(xué) 1什么是綠色化學(xué)化學(xué)工業(yè)能否潔凈地生產(chǎn)化學(xué)品?綠色化學(xué)也就是面對(duì)這樣的問(wèn)題下產(chǎn)生的。其核心是要利用化學(xué)原理從源頭消除污染。綠色化學(xué)是指化學(xué)反應(yīng)和過(guò)程以“原子經(jīng)濟(jì)性”為基本原則，即在獲取新物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)中充分利用參與反應(yīng)的每個(gè)原料原子，實(shí)現(xiàn)“零排放”。不僅充分利用資源，而且不產(chǎn)生污染；并采用無(wú)毒、無(wú)害的溶劑、助劑和催化劑，生產(chǎn)

31、有利于環(huán)境保護(hù)、社區(qū)安全和人身健康的環(huán)境友好產(chǎn)品。39 綠色化學(xué)化工的目標(biāo)是尋找充分利用原材料和能源，在各個(gè)環(huán)節(jié)都潔凈和無(wú)污染的反應(yīng)途徑和工藝。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程來(lái)說(shuō)，綠色化學(xué)包括：節(jié)約源材料和能源，淘汰有毒原材料，在生產(chǎn)過(guò)程排放廢物之前減降廢物的數(shù)量和毒性；對(duì)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，綠色化學(xué)旨在減少?gòu)脑系募庸さ疆a(chǎn)品的最終處置的全周期的不利影響。綠色化學(xué)不僅將為傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)帶來(lái)革命性的變化，面且必將推進(jìn)綠色能源工業(yè)及綠色農(nóng)業(yè)的建立與發(fā)展。因此綠色化學(xué)是更高層次的化學(xué)，化學(xué)家不僅要研究化學(xué)品生產(chǎn)的可行性和現(xiàn)實(shí)用選，還要考慮和設(shè)計(jì)符合綠色化學(xué)要求、不產(chǎn)生或減少污染的化學(xué)過(guò)程。這是一個(gè)難題，也是化學(xué)家面臨的一項(xiàng)新挑戰(zhàn)。

32、40 2綠色化學(xué)的發(fā)展方向 從綠色化學(xué)的目標(biāo)來(lái)看有兩方面必須重視：一是開(kāi)發(fā)以“原子經(jīng)濟(jì)性”為基本原則的新化學(xué)反應(yīng)過(guò)程；另一個(gè)是改進(jìn)現(xiàn)有化學(xué)工業(yè)，減少和消除污染。 （1）新的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程研究 在原子經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上研究合成化學(xué)和催化的基礎(chǔ)問(wèn)題，即綠色合成和綠色催化問(wèn)題。如美國(guó)Monsanto公司不用劇毒的氫氰酸和氰、甲醛為原料，從無(wú)毒無(wú)害的二乙醇酸出發(fā)，開(kāi)發(fā)了催化肥氫安全生產(chǎn)氨基二乙酸鈉的技術(shù)，從面獲得了1996美國(guó)總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)中的變更合成路線獎(jiǎng)。美國(guó)D帆化學(xué)公司用C02代替對(duì)生態(tài)環(huán)境有害的氟氫烴作苯乙烯泡沫塑料的發(fā)泡劑，因面得到美國(guó)總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)中的改變?nèi)軇┓磻?yīng)條件獎(jiǎng)。41

33、 在有機(jī)化學(xué)品的生產(chǎn)中，有許多新的化學(xué)流程正在研究開(kāi)發(fā)。如以新型硅分子篩為催化劑，開(kāi)發(fā)烴類氧化反應(yīng)；用過(guò)氧化氫氧化丙烯制環(huán)氧丙烷；用過(guò)氧化氫氫氧化環(huán)己酮合成環(huán)己酮肪；用催化劑的品格氧作烴類選擇性氧化反應(yīng)，如用品格氧氧化丁烷制順酐，用晶格氧氧化鄰二甲苯制苯酐等，這些新流程的開(kāi)發(fā)是綠色化學(xué)領(lǐng)域中的新進(jìn)展。 （2）傳統(tǒng)化學(xué)過(guò)程的綠色化學(xué)改造 這是一個(gè)很大的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。如在烯烴的烷基化反應(yīng)生產(chǎn)乙苯和異丙苯生產(chǎn)過(guò)程中需要用酸催化反應(yīng)，過(guò)去用液體酸HF催化劑，面現(xiàn)在可以用團(tuán)體酸分子篩催化合成，并配合固定床烷基化工藝，解決了環(huán)境污染問(wèn)題。在異氰酸酯的生產(chǎn)過(guò)程，過(guò)去一直是用劇毒的光氣作為合成原料，面現(xiàn)可用CO2

34、和胺催化合成異氰酸酯，成為環(huán)境友好的化學(xué)工藝。42 （3）能源中的綠色化學(xué)問(wèn)題和潔凈煤化學(xué)技術(shù) 我國(guó)現(xiàn)今能源結(jié)構(gòu)中，煤是主要能源。由于煤含硫量高和燃燒不完全，造成SO2和大量煙塵排出，使大氣污染。我國(guó)每年由燃煤排放的SO2這1600萬(wàn)t，煙塵達(dá)1300萬(wàn)t。由SO2而產(chǎn)生的酸雨對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞十分嚴(yán)重。因此研究和開(kāi)發(fā)潔凈煤化學(xué)技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急，這方面要重視研究催化燃燒技術(shù)，等離子除硫除塵，生物化學(xué)除硫等新技術(shù)。嚴(yán)格控制排放標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)察大氣的質(zhì)量，這是大氣凈化中的首要任務(wù)。43 （4）資源再生和循環(huán)使用技術(shù)研究 自然界的資源有限，因此人類生產(chǎn)的各種化學(xué)品能否回收、再生和循環(huán)使用也是綠色化學(xué)研究的一個(gè)

35、重要領(lǐng)域。世界塑料的年產(chǎn)量已達(dá)1億t，大部分是由石油裂解成乙烯、丙烯，經(jīng)催化聚合而成的。而達(dá)1億t中約有5經(jīng)使用后當(dāng)年就作為廢棄物排放，如包裝袋、地膜、飯盒、汽車?yán)菺我國(guó)推廣地膜覆蓋面積達(dá)7000萬(wàn)畝，塑料用量高達(dá)30萬(wàn)t，“白色污染”和石油資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。而歐各國(guó)提出三R原則：首先是降低塑料制品的用量，第二是提高塑料的穩(wěn)定性，倡導(dǎo)推行塑料制品特別是塑料包裝袋的再利用，第三是重視塑料的再資源化?；厥諒U棄塑料，再生或再生產(chǎn)其他化學(xué)品、燃料油或焚燒發(fā)電供氣等。同時(shí)在礦物資源方面亦有三R原則的問(wèn)題。44 開(kāi)礦提煉和制造金屬材料亦是大量消耗能源和勞動(dòng)力的工業(yè)，如鋁材現(xiàn)已廣泛用于建材、飛機(jī)和日用品

36、等方面，面純鋁要電解法制備，是一個(gè)大量耗電的工業(yè)，應(yīng)該做好鋁廢棄物的回收和再生技術(shù)研究。 （5）綜合利用的綠色生化工程 如用現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)行煤的脫硫、微生物造紙以及生物質(zhì)能源等的研究。 綜上所述，綠色化學(xué)是近年來(lái)才被人們認(rèn)識(shí)和開(kāi)展研究的一門新興學(xué)科，是實(shí)用背景強(qiáng)、國(guó)計(jì)民生急需解決的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。在21世紀(jì)中它必將大展宏圖，為人類可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。45 五、能源化學(xué) 1氫能 這是未來(lái)最理想的能源。氫作 為水的 組成，用之不竭；而且氫燃燒 后唯一的產(chǎn)物是水，無(wú)環(huán)境污染問(wèn)題。 氫作為能源放出的能量還遠(yuǎn)大于煤、石油、天然氣等能源，1g氫燃燒能釋放出142kJ的熱量，是汽油發(fā)熱量的3倍。目前世界上氫的

37、年產(chǎn)量為3600萬(wàn)t，但絕大部分是從石油、煤炭和天然氣中制?。凰娊庵茪湟蛳碾娔芴?，經(jīng)濟(jì)上不合算，只占4份額。對(duì)化學(xué)家來(lái)講，研究新的經(jīng)濟(jì)上合理的制氫方法是一項(xiàng)具有戰(zhàn)略性的研究課題。理想的氫能源如圖12所示。46 2燃料電池 與干電池和蓄電池不同這種電池的化學(xué)燃料不是裝在電池內(nèi)部，而是儲(chǔ)存在電池外部?？梢园措姵氐男枰?，源源不斷地提供化學(xué)燃料，就像在燃?xì)忮仩t中添加煤和油一樣。燃料所具有的化學(xué)能連續(xù)而直接地轉(zhuǎn)變成電能。其發(fā)電效率比現(xiàn)在應(yīng)用的火力發(fā)電還高并在發(fā)電的同時(shí)還可得到優(yōu)質(zhì)水蒸氣，達(dá)到發(fā)電又供熱的需要，其總熱效率可達(dá)到80。 燃料電池在結(jié)構(gòu)上與蓄電池相似，也是由正極、負(fù)極和電解質(zhì)組成。正極和

38、負(fù)極大都是用鐵和鎳等惰性微孔材料制成。這些電極既不參與化學(xué)反應(yīng)，又有利于氣體燃料及空氣或氧氣的通過(guò)。從電池正極把空氣或氧輸送進(jìn)去，而從負(fù)極將氫氣或碳?xì)浠衔铩⒓状?、甲烷、一氧化碳?7 氣體輸送進(jìn)去。這時(shí)，在電池內(nèi)部氣體燃料和氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，于是燃料的化學(xué)能就直接轉(zhuǎn)變成了電能。目前已有一些處于研制階段的新型高效燃料電池，它們由片狀陶瓷制成，工作溫度高達(dá)8001000，足以將所有的輕質(zhì)烴燃料分解成氫氣和一氧化碳。預(yù)期21世紀(jì)初燃料電池將會(huì)在汽車、軍艦、通訊電源等方而得到實(shí)際應(yīng)用。 3生物質(zhì)能源 光合作用創(chuàng)造的綠色植物是取之不竭的生物資源。它們主要由碳?xì)浠衔锝M成，也是一種可供人們利用的能源。綠

39、色植物生長(zhǎng)的過(guò)程是二氧化碳和水通過(guò)光合作用合成單糖，并把太陽(yáng)能儲(chǔ)存在其中；然后又把單糖聚合成淀粉、纖維和其他大分于生物質(zhì)。其中占絕大多數(shù)的纖維構(gòu)成細(xì)胞壁的主體，它們主要成分是纖維素(50-55)、半纖48 維素(15-25)和木質(zhì)素（20-30）等。纖維素是由葡萄糖基組成的線型大分子；半纖維素是一群氫合聚糖的總稱，不同植物的復(fù)合聚糖的組分也不同，木質(zhì)素是自然界最復(fù)雜的天然聚合物之一，它的結(jié)構(gòu)中重復(fù)單元之間缺乏規(guī)則性和有序性。木質(zhì)素是可再生的植物纖維資源和組分中蘊(yùn)藏太陽(yáng)能最高的部分，也是地球上最豐富的可再生資源(估計(jì)全世界每年可產(chǎn)生600萬(wàn)億t)。以纖維素微纖的形式作為“骨鈍”，其周圍是由半纖維

40、素和具有三元網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素巨大分子粘結(jié)成的天然增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體，是一種不熔、不溶的天然復(fù)合材料。49 4太陽(yáng)能電池 太陽(yáng)能電池是一種能把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰哭D(zhuǎn)換器。這種電池是利用“光生伏打效應(yīng)”原理制成，即當(dāng)物體受到光照射時(shí)，物體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)或電流的現(xiàn)象。 太陽(yáng)能電池主要靠半導(dǎo)體的作用。當(dāng)陽(yáng)光照射在半導(dǎo)體的pn結(jié)時(shí)，就會(huì)在pn結(jié)的兩端出現(xiàn)電壓，如果將pn結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來(lái)就會(huì)產(chǎn)生電流。當(dāng)陽(yáng)光照射時(shí)，太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電流不僅能滿足當(dāng)時(shí)的供電需求，而且還能將部分電能儲(chǔ)存于蓄電池中，可用作汽車、飛機(jī)、宇航、電視、航標(biāo)燈等的電源。太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵是半導(dǎo)體材料，如何研制和選擇適用于太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體，

41、是化學(xué)家們研究的領(lǐng)域。目前各種半導(dǎo)體材料中以單晶硅太陽(yáng)能電池的性能較好，光電轉(zhuǎn)換效率高，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)。這是利用太陽(yáng)能的一個(gè)重要方向。50 5海水鹽差發(fā)電 利用海水鹽差能發(fā)電也是一種獲得能源的途徑。鹽差能是以化學(xué)能形態(tài)出理的一種海洋能。眾所周知，地球上的水有二類：淡水和咸水，其中咸水占97.2，而2.15的淡水儲(chǔ)存在南極和北極的冰川或離山冰川中，這其中只有2.65的淡水可供人類直接利用。海洋中的咸水鹽含量很高，每立方千米的海水里溶有3500萬(wàn)t食鹽，含鹽濃度高的海水以較大的滲透壓力向淡水?dāng)U散，這種滲透壓力差所產(chǎn)生的能量稱為海水鹽差能。 海水鹽差能發(fā)電的原理很簡(jiǎn)單，只要用一層多孔質(zhì)隔膜

42、置于海水和淡水之間，二邊插入電極，由于滲透壓力差而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。較理想的放電場(chǎng)是在江河人?？谔帲罅康煌５亓飨虼蠛?，在交界處形成鹽濃度差。這項(xiàng)技術(shù)51 的關(guān)鍵在于多孔隔膜如何能將淡水和海水隔開(kāi)而又要形成滲透壓。這種海水鹽差發(fā)電技術(shù)和裝置將是21世紀(jì)發(fā)展能源的一個(gè)研究方面。 六、計(jì)算化學(xué) 1什么是計(jì)算化學(xué) 計(jì)算化學(xué)是用量子化學(xué)理論和計(jì)算數(shù)學(xué)來(lái)認(rèn)識(shí)、理解、預(yù)言和發(fā)現(xiàn)新的化學(xué)現(xiàn)象的科學(xué)?；瘜W(xué)的兩大支柱-實(shí)驗(yàn)和形式理論-都是化學(xué)發(fā)展的重要研究領(lǐng)域。過(guò)去對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重視遠(yuǎn)超過(guò)理論計(jì)算。這是因?yàn)榱孔踊瘜W(xué)理論還不完善，許多化學(xué)現(xiàn)象還不能用理論來(lái)現(xiàn)解和歸納。由于電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，給計(jì)算化學(xué)創(chuàng)造了很好

43、的研究條件，在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究工作之前，化學(xué)家就可在計(jì)算機(jī)上52 根據(jù)現(xiàn)有化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的信息和量子化學(xué)理論來(lái)計(jì)算和預(yù)測(cè)一下實(shí)驗(yàn)工作的結(jié)果；在實(shí)驗(yàn)工作中，可用計(jì)算機(jī)記錄所有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)；在實(shí)驗(yàn)后再用計(jì)算機(jī)來(lái)處理數(shù)據(jù)和得出結(jié)論。這一工作方式將會(huì)越來(lái)越被化學(xué)家們所接受和利用。成為化學(xué)研究工作中很重要的一個(gè)工作程序。 2計(jì)算化學(xué)的發(fā)展方向 （1）研究分子結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的化合物有1200萬(wàn)種以上。雖然化學(xué)家們結(jié)化合物進(jìn)行了分類，并了解它們的性質(zhì)和用途，但目前尚沒(méi)有一個(gè)完整的化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)把它們的結(jié)構(gòu)和性能聯(lián)系起來(lái)。這是一個(gè)工作量很大功工作，不僅是要做一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，而且要研究總結(jié)各種化合物結(jié)構(gòu)和性

44、能的關(guān)系，并深入到為什么某種結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生某種性能的內(nèi)在聯(lián)系。這是物53 質(zhì)結(jié)構(gòu)化學(xué)的基本要求，要靠計(jì)算化學(xué)通過(guò)計(jì)算機(jī)的邏輯思維和運(yùn)算把二者結(jié)合起來(lái)。 （2）研究化學(xué)反應(yīng)是如何發(fā)生的 至今人們尚不能直接觀察化學(xué)反應(yīng)是如何發(fā)生的。只能是通過(guò)問(wèn)接的辦法，如反應(yīng)中間體、產(chǎn)物及反應(yīng)的能態(tài)等信息來(lái)推測(cè)化學(xué)反應(yīng)的途徑和機(jī)制。計(jì)算化學(xué)可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)速率以及溫度等對(duì)反應(yīng)速率的影響等問(wèn)題的計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)反應(yīng)結(jié)果。 （3）預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物及新化合物具有什么樣的化學(xué)性質(zhì) 一個(gè)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生后，可根據(jù)反應(yīng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)其反應(yīng)產(chǎn)物，也可經(jīng)過(guò)各種參數(shù)的綜合運(yùn)算預(yù)測(cè)最可能生成的反應(yīng)產(chǎn)物。若反應(yīng)后得到的是新化合物，通過(guò)計(jì)算化學(xué)還可

45、以預(yù)測(cè)其化學(xué)性質(zhì)及可能功用途。54 （4）生物大分子的空間結(jié)構(gòu)、取向和形態(tài)研究 以共價(jià)鍵結(jié)合的生物大分子(如蛋白質(zhì)、糖、核酸等)除了一級(jí)結(jié)構(gòu)外，還有空間結(jié)構(gòu)和取向，如A的空間結(jié)構(gòu)是雙螺旋型。這種分子的形態(tài)是靠什么力量決定的?每個(gè)分子都有其穩(wěn)定態(tài)，這種穩(wěn)定態(tài)的形狀又是什么樣的?計(jì)算化學(xué)如能對(duì)分子的形狀進(jìn)行可靠的計(jì)算，對(duì)了解分子結(jié)構(gòu)會(huì)提供更多的信息。 （5）研究分子分子體系的排列和相互作用 一群分子在一起是以什么形式排列組合起來(lái)的?它們是靠什么力場(chǎng)相互作用的?分子與分子之間的排列組合是非共價(jià)鍵體系的，那么各種分子與分子之間的排列順序的穩(wěn)定態(tài)是否可用計(jì)算化學(xué)來(lái)確定或預(yù)測(cè)?這種分子以上層次的化學(xué)研究有

46、否可能在計(jì)算機(jī)屏幕作出各種可能的排列組合的演示，是一個(gè)十分有意義和新興的化學(xué)研究領(lǐng)域。55 （6）計(jì)算機(jī)對(duì)化學(xué)過(guò)程的模擬 計(jì)算化學(xué)希望分子物質(zhì)分子內(nèi)部和分子與分子之間變化的研究，從而預(yù)見(jiàn)化合物的性質(zhì)、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的方向和可能生成的產(chǎn)物等。這樣可以減輕實(shí)驗(yàn)工作量，告訴人們那些可做，那些不可做，讓理性認(rèn)識(shí)來(lái)指導(dǎo)化學(xué)實(shí)驗(yàn)工作的進(jìn)行。這在2l世紀(jì)將會(huì)被更多的化學(xué)家所接受。 七、納米化學(xué) 物質(zhì)顆粒尺寸大小與其性質(zhì)有一定關(guān)聯(lián)，這是人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)了的。一般把尺度在1mm-10mm范圍的稱為微小型(Mini-)；1m-1mm范圍的為微來(lái)級(jí)(Micro-)，1nm-lm范圍的為納米(Nano-)級(jí)。近年來(lái)，發(fā)現(xiàn)物

47、質(zhì)顆粒尺寸小到納來(lái)級(jí)時(shí)，其性質(zhì)發(fā)生突變，特別是許多納米級(jí)材料在電、光、磁、力學(xué)以至生物學(xué)等方面的性質(zhì)發(fā)生了突變，56 這種變異開(kāi)拓了一門新興的交叉學(xué)科納米化學(xué)。納米材料已成為高新技術(shù)的重要研究領(lǐng)域，納米科學(xué)技術(shù)將成為2l世紀(jì)關(guān)鍵的高新技術(shù)之。 1納米化學(xué)合成 （1）納米插層聚合 即聚合物單體滲入蒙脫土內(nèi)，再聚合成蒙脫土納米片晶分散在聚合物內(nèi)的納米材料。 （2）相分離嵌段聚合物 即選用極性不同、彼此不相容的聚合物鏈段，以嵌段形式聚合到一個(gè)高分子鏈上。這種嵌段高分于形成的聚合物將在連續(xù)相內(nèi)存在相分離的納米尺度鏈段，而形成納米材料。57 （3）雜化材料 采用有機(jī)物、低聚物、高分子和金屬鹽、原硅酸酯等

48、無(wú)機(jī)物一起通過(guò)溶膠嘴膠法共聚合，以合成有機(jī)高分子“接枝”無(wú)機(jī)物片斷的“雜化”分子。在這些“雜化”分子中，無(wú)機(jī)物片斷于有機(jī)聚合物中產(chǎn)生納米尺度相分離，面成納米材料；或在溶膠凝膠法中，無(wú)機(jī)物經(jīng)還原析出，以納米尺度的金屬粒子分散在有機(jī)聚合物中，這也是一類納米材料。 （4）組裝合成納米相 即采用分子間弱相互作用，在 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采取適當(dāng)組裝 方法，把不同性質(zhì)的分子一個(gè)個(gè)的有 規(guī)則地組裝成二維、三維結(jié)構(gòu)面成為特殊的納米材料。5859 2納米檢測(cè)技術(shù) 納米化學(xué)合成了相應(yīng)的納米顆粒和納米結(jié)構(gòu)材料，必然要發(fā)展納米檢測(cè)技術(shù)，如納米粉體的粒度分布測(cè)定、孔徑測(cè)定、界面研究等。電子顯微鏡雖可觀測(cè)到納米尺度，但只是

49、形態(tài)學(xué)手段，不能滿足進(jìn)一步觀測(cè)結(jié)構(gòu)和獲得更多信息的要求。為此近年來(lái)發(fā)展了掃描探針顯微技術(shù)，如掃描探針顯微鏡(SPM)、原子力顯微鏡(AFM)、磁力顯微鏡(MFM)t光學(xué)掃描隧道顯微鏡(PSTM)、彈道電子發(fā)射顯微鏡(BEEM)等。這些顯微鏡利用探針與樣品的不同的相互作用，來(lái)探測(cè)表面和界面在納米尺度表現(xiàn)出來(lái)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。它們都為納米化學(xué)的研究提供了極為有用的工具。60 3納米材料的異常行為及其用途 20世紀(jì)如年代發(fā)現(xiàn)納米氧化鋯陶瓷在適當(dāng)溫度下(即在其熔點(diǎn)的0.4到0.5之間)具有很大的塑性存在。不僅是納米的離子型化合物是如此，具有共價(jià)型的納米級(jí)氮化硅陶瓷在適當(dāng)溫度下也是如此，且具有比微米級(jí)氮化硅陶瓷高出l倍以上的形變能力。在室溫下納米氧化信陶瓷具有的這種超塑性行為，引超了人們極大的興趣。陶瓷的缺點(diǎn)脆性是否能在這種具異常性能的納米材料中找到改進(jìn)的途徑?納米