化學(xué)材料科學(xué)與工程精品(七篇)

序論：寫作是一種深度的自我表達(dá)。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇化學(xué)材料科學(xué)與工程范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

篇(1)

論文摘要：將量子化學(xué)原理及方法引入材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系研究領(lǐng)域中無疑將從更高的理論起點來認(rèn)識微觀尺度上的各種參數(shù)、性能和規(guī)律，這將對材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系的發(fā)展有著重要的意義。

量子化學(xué)是將量子力學(xué)的原理應(yīng)用到化學(xué)中而產(chǎn)生的一門學(xué)科，經(jīng)過化學(xué)家們的努力，量子化學(xué)理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經(jīng)受到足夠的重視。目前，量子化學(xué)已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)的各個分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)域，取得了豐富的理論成果，并對實際工作起到了很好的指導(dǎo)作用。本文僅對量子化學(xué)原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領(lǐng)域做一簡要介紹。

一、在材料科學(xué)中的應(yīng)用

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學(xué)開始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計算發(fā)現(xiàn)，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級與Sr-O，Ba-O共價鍵級都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級和Ca-O共價鍵級，由此認(rèn)為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來，也為水泥材料的設(shè)計提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場和電子結(jié)構(gòu)，通過量子化學(xué)計算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實驗結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過量子化學(xué)方法進(jìn)行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計算機(jī)時少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時由于電子計算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計算方法以及計算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識對所研究的低級芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設(shè)計路徑的熱力學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了計算。由理論計算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環(huán)壽命長、安全可靠、無記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗分子軌道法以C32H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li-C和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法，對低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識和計算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。

三、在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學(xué)計算一直是一個具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學(xué)可以在分子、電子水平上對體系進(jìn)行精細(xì)的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識別與結(jié)合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學(xué)的方法對這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過程和作用特點設(shè)計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學(xué)的手段來研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計算變得更加迅速和方便。可以預(yù)言，在不久的將來，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

篇(2)

綠色理念在室內(nèi)設(shè)計中還處于探索研究階段，現(xiàn)階段的室內(nèi)設(shè)計還存在許多問題，從我國現(xiàn)階段的室內(nèi)設(shè)計發(fā)展?fàn)顩r來看，室內(nèi)設(shè)計主要存在五個方面的問題：第一，不重視室內(nèi)設(shè)計相關(guān)的管理、法規(guī)、技術(shù)；第二，大量使用化學(xué)材料，嚴(yán)重影響了人們的身體健康；第三，單純強(qiáng)調(diào)裝修材料的運用，忽視了室內(nèi)設(shè)計的內(nèi)涵；第四，追求奢華氣派的設(shè)計風(fēng)格，大量使用不可再生資源，造成資源浪費：第五，室內(nèi)設(shè)計完成后的剩余材料隨意丟棄，造成環(huán)境污染。這些問題的產(chǎn)生要從主客觀兩方面進(jìn)行分析，主觀方面是室內(nèi)設(shè)計受到了人們錯誤價值觀的誤導(dǎo)，客觀方面是由于綠色理念在室內(nèi)設(shè)計中發(fā)展不完善，設(shè)計師對綠色理念不清晰。

二、綠色理念在室內(nèi)設(shè)計中的應(yīng)用

隨著社會的快速發(fā)展，人們對居住條件又有了重新的認(rèn)識，不斷強(qiáng)調(diào)在室內(nèi)設(shè)計中凸顯“綠色”概念，綠色理念的應(yīng)用已成為室內(nèi)設(shè)計的永恒主題。

（一）重視“以人為本”的思想

以人為本是綠色理念在室內(nèi)設(shè)計中的前提。室內(nèi)設(shè)計要突破傳統(tǒng)的思想和做法，把以人為本的思想融入進(jìn)去，設(shè)計出適合人們生活習(xí)慣和生活方式的室內(nèi)環(huán)境，滿足使用者的心理需要，達(dá)到人與自然的和諧相處。綠色理念在室內(nèi)設(shè)計中的應(yīng)用要求設(shè)計者充分研究人的生理特性，掌握豐富的人體工程學(xué)知識。室內(nèi)設(shè)計的根本原則是保障人們的安全和身心健康，設(shè)計者要選好裝修材料，根據(jù)使用者對空間面積、家居布置、消防安全的需求，融入以人為本的思想，科學(xué)合理的做好室內(nèi)設(shè)計，而且研究人的生理特點可以合理的設(shè)計加劇的尺寸、燈光亮度、室內(nèi)溫度等，滿足使用者生理特性與室內(nèi)環(huán)境統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

（二）做好空間設(shè)計

室內(nèi)空間形態(tài)是由于墻體的圍合造成的，不同的空間形態(tài)對使用者的生理和心理會造成不同的影響。設(shè)計者要充分考慮現(xiàn)有的空間形態(tài)，通過綠色材料科學(xué)合理的對室內(nèi)空間進(jìn)行布局，創(chuàng)造出自然和諧的學(xué)習(xí)、工作、生活環(huán)境。使用者在室內(nèi)的安全最為重要，這就要求室內(nèi)設(shè)計要人性化，最大限度的在室內(nèi)空間設(shè)計中滿足使用者對通風(fēng)、采光的需求，而且還要根據(jù)不同空間的不同使用者，合理的選用室內(nèi)設(shè)計的具體尺寸，成造出良好的學(xué)習(xí)生活環(huán)境。同時還要實現(xiàn)空間設(shè)計的功能化，室內(nèi)空間主要分為客廳、臥室、廚房等區(qū)域，隨著人們生活水平的日益提高，這些區(qū)域已不能滿足人們多元化的需求，設(shè)計者要根據(jù)建筑原理并融合創(chuàng)新思想，對這些區(qū)域進(jìn)行多元化、人性化的設(shè)計，最大限度滿足使用者多元化的需求。

（三）做好資源節(jié)約

室內(nèi)設(shè)計的發(fā)展趨勢是對室內(nèi)環(huán)境節(jié)能、環(huán)保、綠色設(shè)計。設(shè)計者在室內(nèi)設(shè)計過程中首先要堅持再利用原則，資源的再利用是室內(nèi)設(shè)計最為困難的地方，設(shè)計者要不斷總結(jié)經(jīng)驗，加強(qiáng)國內(nèi)外先進(jìn)室內(nèi)設(shè)計的學(xué)習(xí)，注意室內(nèi)裝飾品、陳設(shè)品的完整性，使其再利用而不失完美，盡最大努力把資源的循環(huán)利用設(shè)計到室內(nèi)環(huán)境中。其次要堅持再循環(huán)原則，當(dāng)需要拆除室內(nèi)部分功能時，要保證室內(nèi)裝修、裝飾材料等資源的再生化，避免二次裝修而造成的資源浪費。最后還要堅持少量化原則，對室內(nèi)空間進(jìn)行設(shè)計時要減少消耗、降低成本，最大限度的使用所選擇的裝修材料，同時裝修形式要簡潔、減少對環(huán)境的污染。當(dāng)前部分消費者過度追求室內(nèi)裝修的“奢華”與“氣派”，不僅造成資源浪費，還在不同程度上危害了室內(nèi)環(huán)境。所以人們要轉(zhuǎn)變思想觀念，改變世俗的審美心理，積極倡導(dǎo)裝修的簡約化，設(shè)計者在設(shè)計過程中要考慮裝修材料的實用性，避免過分追求高檔的裝修材料，運用先進(jìn)的設(shè)計思想賦予室內(nèi)設(shè)計廣泛的內(nèi)涵，營造出一個綠色和諧的室內(nèi)環(huán)境。

（四）做好材料選擇

綠色材料又叫生態(tài)材料，它是實現(xiàn)室內(nèi)綠色設(shè)計的物質(zhì)保障。設(shè)計者在進(jìn)行裝修材料選擇時，要選擇實用性能好、環(huán)境污染小、可循環(huán)再利用的材料，這樣不但可以保障室內(nèi)環(huán)境優(yōu)良，還可以對自然環(huán)境起到一定的保護(hù)作用。因此，室內(nèi)設(shè)計要多采用綠色材料，注重高新技術(shù)材料的應(yīng)用。近年來，我國房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，與其相關(guān)的家裝企業(yè)為滿足人們的需求也在不斷研發(fā)新產(chǎn)品，設(shè)計者要抓住這一有利環(huán)境，在材料的選擇上多采用具有保溫和采光雙重作用的玻璃、節(jié)水型的部件、節(jié)能性的燈具等；墻面材料要選擇多用水性涂料、墻紙和天然織物，它們含有較少的有害物質(zhì)，對環(huán)境的污染較小，適合大面積使用；就地面而言，其具有更為廣泛的選擇性，地毯、地磚、天然石材等污染較小，室內(nèi)設(shè)計中應(yīng)盡可能多的使用這類材料；而室內(nèi)設(shè)計中的軟裝修材料來說，也需選擇天然成分含量較高的材料，如窗簾、枕套、床罩等要多選用棉麻制品，它們污染小且不易褪色。總之，室內(nèi)設(shè)計的材料要根據(jù)實際情況和使用者的需求而進(jìn)行選擇，堅持節(jié)約、環(huán)保的原則，建立一個綠色和諧的室內(nèi)環(huán)境。

（五）重視回歸自然

回歸自然是指充分利用綠色理念在室內(nèi)設(shè)計中的應(yīng)用，對室內(nèi)環(huán)境與自然環(huán)境進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，保障室內(nèi)采光、通風(fēng)、隔熱、保溫的自然性，營造健康舒適的室內(nèi)生活環(huán)境，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境與自然環(huán)境的和諧統(tǒng)一。就材料而言，設(shè)計時要多采用具有自然特性的裝飾材料，如家具的選擇要以木、竹、藤為主，它們具有天然的紋理，給人以懷舊簡潔、回歸自然的感覺；掛件和床上用品的選擇要以毛、麻、棉等傳統(tǒng)材料為主，它們具有天然的色彩，可營造清新古樸的情調(diào)。就空間而言，可注重墻面的鏤空效果，或采用大面積落地窗，使空間寬敞明亮，加大了與室外環(huán)境的溝通，保障了人們心情舒暢，滿足了人們回歸自然的心理需求。就環(huán)境而言，我們可以創(chuàng)造條件把自然環(huán)境引入進(jìn)來，通過盆栽、水景、插花的設(shè)計，營造室內(nèi)的自然環(huán)境氛圍，滿足人們親近自然的需求；同時還可以利用音頻視頻設(shè)備，把自然界的鳥語花香、風(fēng)聲水聲引入室內(nèi)，滿足人們對自然環(huán)境聽覺、視覺的需求。

三、結(jié)語

篇(3)

[關(guān)鍵詞]材料；有機(jī)化學(xué)；分子模擬；創(chuàng)新；教學(xué)改革

1前言

材料有機(jī)化學(xué)作為化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)課程，其主要研究化學(xué)材料的結(jié)構(gòu)與性能。相較于其它課程，材料有機(jī)化學(xué)的理論性強(qiáng)、知識點多、化合物結(jié)構(gòu)抽象、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜。在傳統(tǒng)的教學(xué)中教師往往采用實物模型展示的方式，然而現(xiàn)今材料化學(xué)中的化合物種類繁多，現(xiàn)有的簡單模型已經(jīng)不能滿足日常教學(xué)的需要，因此在教學(xué)過程中學(xué)生很難理解部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)的化合物及其反應(yīng)機(jī)理。如何將材料化學(xué)中的結(jié)構(gòu)形象化、具體化是提高該課程效率的關(guān)鍵。隨著計算機(jī)的飛速發(fā)展，計算化學(xué)作為一門新興學(xué)科在生物、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用[1-2]。傳統(tǒng)的物理、化學(xué)研究方法面臨著周期長、設(shè)備復(fù)雜、資金不足等問題，而模擬計算從量子力學(xué)角度進(jìn)行材料結(jié)構(gòu)與性能研究，被認(rèn)為是揭示微觀機(jī)理與加速宏觀研究的有效手段。當(dāng)前，模擬計算已經(jīng)大規(guī)模的應(yīng)用在科學(xué)研究中。在眾多模擬軟件中，Materialstudio(MS)具有友好化的Wiondows操作界面，可以將微觀結(jié)構(gòu)立體化，使得原本抽象的結(jié)構(gòu)具有可操作性，同時它能夠解決很多宏觀上難以觸及的問題，諸如：分子軌道、偶極矩、分子間作用力、熱力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和化學(xué)反應(yīng)過程機(jī)理等。將MS應(yīng)用在材料有機(jī)化學(xué)的教學(xué)中，可以將課本理論與實體化的反應(yīng)歷程結(jié)合，提高學(xué)生的理解力，形成長效記憶。下面筆者將從材料有機(jī)化學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀、模擬軟件介紹以及模擬計算用于材料有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的實例展開詳述。

2材料有機(jī)化學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

材料有機(jī)化學(xué)課程的服務(wù)面大，基本是生物、化學(xué)、化工、醫(yī)藥等專業(yè)的必修課程之一，對本科生后續(xù)課程學(xué)習(xí)乃至科研工作都起著關(guān)鍵作用。然而對于多數(shù)學(xué)生而言，該課程通常被認(rèn)為是一門可怕的、掛科率高的課程，部分原因是知識點分散且抽象化。現(xiàn)階段，板書和幻燈片教學(xué)是眾多高校及科研院所的主要教學(xué)模式，缺少革新。正如國際化學(xué)聯(lián)盟化學(xué)教育委員會前主席所感慨的那樣[3]：“我們的許多教科書和教學(xué)方法都停留在過去的30~50年里，沒有太大的改變。”然而抽象的書本教學(xué)使得學(xué)生在學(xué)習(xí)、理解該課程上出現(xiàn)了困難。學(xué)生難從本質(zhì)上理解材料化學(xué)涉及的微觀結(jié)構(gòu)、分子間作用力、反應(yīng)機(jī)理，從而覺得有機(jī)化學(xué)是一門枯燥乏味的理論課程。在研究材料有機(jī)化學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀中，渥太華大學(xué)化學(xué)教授艾莉森·弗林發(fā)現(xiàn)學(xué)生很不擅長對長鏈有機(jī)物進(jìn)行命名，同時多數(shù)學(xué)生在思考反應(yīng)機(jī)理時，很隨意的將電子從一個分子分配給另一個分子，而不考慮這些分子之間化學(xué)鍵的限制。弗林教授歸其原因是學(xué)生不能將材料分子的空間結(jié)構(gòu)繪制出來，從而無法理解成鍵規(guī)則。總結(jié)而言，現(xiàn)階段的有機(jī)學(xué)習(xí)教學(xué)中主要存在以下問題：(1)單靠閱讀書本，學(xué)生很難構(gòu)思出三維立體的分子結(jié)構(gòu)；(2)抽線的理論知識使得學(xué)生無法從本質(zhì)上理解反應(yīng)機(jī)理，從而加劇對有機(jī)化學(xué)課程的厭學(xué)情緒。值得一提的是，特別是進(jìn)入冠狀病毒病大流行的特殊時期，晦澀抽象的材料化學(xué)在遠(yuǎn)程教學(xué)中面對著更大的挑戰(zhàn)。

3分子模擬及模擬軟件簡介

盡管如此，新挑戰(zhàn)也預(yù)示了新契機(jī)。現(xiàn)今隨著計算化學(xué)的飛速發(fā)展，分子模擬被認(rèn)為是一種提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識興趣的有效手段。諸如：Gaussian、Vasp、CP2K、Materialstudio等，這類模擬軟件均基于一系列的半經(jīng)驗公式，包含密度泛函以及從頭算方法等，被廣泛的應(yīng)用于材料有機(jī)化學(xué)中的微觀結(jié)構(gòu)解析以及反應(yīng)機(jī)理探究，其在數(shù)字教學(xué)中或?qū)l(fā)揮巨大作用。渥太華大學(xué)弗林教授他們借助可視化的OrgChem101模擬計算程序幫助學(xué)生了解化學(xué)語言和符號，并掌握長鏈有機(jī)物的命名及成鍵規(guī)則。此外，新加坡國立大學(xué)的化學(xué)教育者最近開發(fā)了一種方法，將化學(xué)模擬軟件融入實驗教學(xué)，改進(jìn)了當(dāng)?shù)氐慕虒W(xué)策略。在國內(nèi)，安徽醫(yī)科大學(xué)提出將Gaussian模擬軟件用于波譜分析的教學(xué)，利用模擬光譜有效區(qū)分出手性對映異構(gòu)體[4]。此外，重慶文理學(xué)院采用化學(xué)模擬軟件輔助反應(yīng)機(jī)理的教學(xué)也取得很好成果[5]。然而如何融合模擬計算更形象的呈現(xiàn)材料有機(jī)化學(xué)中的抽象模型，相關(guān)報道較少，亟需我們進(jìn)行深入的研究探討。筆者自高校工作以來一直從事材料有機(jī)化學(xué)的教學(xué)科研工作，對材料化學(xué)課程的現(xiàn)狀以及突破點有一定的理解，因此提出以模擬軟件輔助材料有機(jī)化學(xué)的教學(xué)模式。BIOVIAMS擁有一套完整的建模和模擬環(huán)境[6]，包括：量子力學(xué)、分子力學(xué)、分子動力學(xué)、介觀動力學(xué)等，旨在讓材料科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的研究人員預(yù)測和理解材料的原子和分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)及其表現(xiàn)出的宏觀性能。眾多科研人員正在利用MS軟件設(shè)計開發(fā)各種類型材料，包括催化劑、聚合物、復(fù)合材料、金屬、合金、制藥、電池等。本文筆者將闡述自己在材料有機(jī)化學(xué)教學(xué)中，采用理論模擬輔助教學(xué)的一些實例，包括發(fā)展三維立體教學(xué)，通過MS這一可視化模擬軟件，在線搭建三維長鏈分子及其空間構(gòu)型，更直觀的獲取材料分子的結(jié)構(gòu)信息；為化學(xué)反應(yīng)提供可視化的動態(tài)過程，讓學(xué)生對反應(yīng)歷程、過程機(jī)理有本質(zhì)性的理解。實踐證明，將模擬軟件融入材料化學(xué)的教學(xué)中，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，提高了學(xué)生對基礎(chǔ)知識的深入理解。

4軟件模擬在材料有機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用實例

4.1分子三維結(jié)構(gòu)的在線搭建及其空間結(jié)構(gòu)分析

在材料有機(jī)化學(xué)課程中，分子結(jié)構(gòu)、同分異構(gòu)體以及立體異構(gòu)體等是一個重要概論。初次接觸的學(xué)生往往會由于缺乏空間想象力，而無法在腦海中操縱、旋轉(zhuǎn)復(fù)雜這些結(jié)構(gòu)。利用MS中Visualize模塊可以繪制分子的微觀結(jié)構(gòu)以提升學(xué)生對空間想象力的培養(yǎng)。圖1可視化的有機(jī)分子及其空間結(jié)構(gòu)Fig.1Visualizedorganicmoleculesandtheirspatialstructure如圖1a中，我們可以看到不同雜化方式的碳原子，并且能夠從三維角度觀測它們的空間構(gòu)型。再如，判斷同分異構(gòu)體的構(gòu)象是教學(xué)中的一個重難點。我們知道同分異構(gòu)體是由于分子中單鍵的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生了相同原子而不同排列形式的構(gòu)象，同分異構(gòu)體間的化學(xué)性質(zhì)截然不同。如圖在1b-c中，如何判斷1,2-二氯代丁烷兩種同分異構(gòu)體的內(nèi)內(nèi)消旋性？MS模擬軟件可以輕松解決該教學(xué)問題。首先通過在MS繪制出1,2-二氯代丁烷的兩種空間構(gòu)象，可以清楚看到圖1c中的對稱性是由不對稱性的碳原子引起，因此具有內(nèi)消旋性，即為(2R，3S)1,2-二氯代丁烷。以上僅僅是簡單分子的繪制，MS的功能強(qiáng)大在于它特別適用于復(fù)雜分子的繪制，如碳納米管、C60、石墨烯等，如圖1d。MS可以自定義的繪制任何有機(jī)物質(zhì)，該軟件的工具欄提供了多種雜化方式的碳鍵，方便在教學(xué)中隨意的切換。利用該套繪制分子空間結(jié)構(gòu)的功能，學(xué)生能夠從不同角度觀察分子的空間結(jié)構(gòu)及成鍵方式，從而輕松解決材料化學(xué)中涉及鍵長、鍵角、軌道、電荷分布以及原子共平面等問題。通過在線搭建不同空間構(gòu)型的有機(jī)化學(xué)分子，學(xué)生甚至可以遠(yuǎn)程親手操控、旋轉(zhuǎn)、增減該結(jié)構(gòu)，加深對雜化理論以及同分異構(gòu)的理解，極大增強(qiáng)對材料有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。

4.2模擬計算分子間作用力

分子間作用力是指作用于原子和它相鄰粒子之間的引力或斥力。分子間力相對于分子內(nèi)力來說是很微弱的，主要包括氫鍵、配位鍵、范德華力、共價鍵、色散力等。深入理解分子間作用力對于材料有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)非常重要。這里筆者將以氫鍵為例，闡述模擬計算在識別氫鍵中的有效作用。氫鍵指的是一個氫原子與一個電負(fù)性高的元素(通常是氮、氧或氟)以共價鍵的形式結(jié)合，鍵能介于成鍵作用和非鍵作用之間，常被描述為偶極-偶極鍵的一種極端形式。實際中，氫鍵的形成需要滿足一定距離和角度要求。如何判斷是否有氫鍵形成以及氫鍵形成的數(shù)量是判斷材料穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵。在模擬計算中，通常根據(jù)以下兩個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氫鍵形成的判斷(圖2a)：(1)施體(指與氫原子成健的原子)與受體(指與氫原子形成氫鍵的原子)之間的距離小于等于0.35nm；(2)氫原子-施體-受體之間的夾角小于等于30度。為進(jìn)一步在課堂上使氫鍵可視化，我們創(chuàng)建了水分子(圖2b)，可以看到幾何優(yōu)化后的水分子氫氧鍵長為0.96?，鍵角約為104.5度。而后構(gòu)建1.0kg/m3的水盒子，能量最小化后計算出氫鍵分布。圖2b中氫鍵用藍(lán)色虛線表示，可以清楚看到中間水分子形成了3個氫鍵，進(jìn)一步計算顯示，水相中每個水分子約可形成3.5個氫鍵，跟文獻(xiàn)報道一致。同時該模擬計算也給出了體系內(nèi)的范德華及靜電作用能分別為27.5kcal/mol，-150.9kcal/mol。MS為體系分子間作用提供了可視化的分析方法，在教學(xué)過程中，通過該套算法搭建分子間微觀作用力與材料宏觀性能之間的匹配性關(guān)系，將材料有機(jī)化學(xué)教學(xué)提升至一個新的高度。

4.3催化反應(yīng)過渡態(tài)計算

過渡態(tài)理論認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)中原子排列位置的變化是連續(xù)的，從反應(yīng)物到生成物中間存在一個中間體，即過渡態(tài)，該中間體與反應(yīng)物的能量差為反應(yīng)活化能(圖3a)。催化劑的加入能有效降低該活化能，使得化學(xué)反應(yīng)更易進(jìn)行。為了更直觀的描述催化反應(yīng)過程，筆者常用MS中的量化計算輔助課程講解，使得原本抽象的催化反應(yīng)歷程具有可視化效果。甘油催化裂解是筆者在教學(xué)課堂中常舉得一個例子。眾所周知，甘油蒸汽在沒有催化劑的情況下十分穩(wěn)定，解離能很大，但是在Co催化作用下，其裂解活化能得以有效降低。為了探討甘油蒸汽在Co0和Co2+界面處的轉(zhuǎn)化過程，采用量子力學(xué)模擬計算甘油催化裂解。如圖3b，計算過程中，由于能量最小化的驅(qū)使下，甘油分子最終停留在Co0和Co2+界面處，此時體系最穩(wěn)定。隨后根據(jù)公式計算出甘油四步裂解過程中的能壘數(shù)值，并繪制過程階梯圖，如圖3c。根據(jù)該階梯圖，我們能清晰的看到甘油分子在界面處的裂解催化所需的能壘最低，即表明此反應(yīng)最容易發(fā)生。材料化學(xué)教學(xué)中通過該實列的操作展示，學(xué)生可以更直觀的看到化學(xué)反應(yīng)是如何一步一步進(jìn)行的，并且了解每一步都需要克服反應(yīng)能壘，加深對催化反應(yīng)及過渡態(tài)理論的理解。反應(yīng)步驟一：CH2OHCHOHCH2OH→CH2OHCHOHCHO*+H2反應(yīng)步驟二：CH2OHCHOHCHO*→CH2OHCH2OH+CO*反應(yīng)步驟三：CH2OHCH2OH→CH3CHO*+H2O反應(yīng)步驟四：CH3CHO*→CH4+CO*

5結(jié)束語