引論：我們為您整理了13篇表面化學論文范文，供您借鑒以豐富您的創作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發您的創作靈感，讓您的文章更具深度。

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一、引言

研究生學位課常常為理論性較強的課程，過去常采用老師講學生聽的傳統“填鴨式”教育模式，教學過程中學生參與感不強，被動接受書本知識，缺乏主動性和積極性。為此，迫切需要對目前的教學方式進行改革和調整。Seminar源自拉丁文的Seminarium，原意為“苗圃”、“發祥地”，國內多將其譯為“討論課”、“研討課”、“席明納”或“習明納爾”，也有學者將其理解為“學者之間的對話”。歐美各大學普遍采用的Seminar，源于19世紀初期的柏林大學，以洪堡（W.VHumboldt）倡導的學術自由、教學與科研相結合教育思想為基礎。它具有教學與科研雙重職能，是以高深學問為研究內容、以討論和辯論為基本交流形式、師生平等交流的教學范式，其目的是探究高深學問，促進教學相長，以創新性研究為其精髓，以趨近和發現真理為最終目的[1]。國內清華大學、北京大學、浙江大學都有較為全面、較為成功的研討型課程教學[2]。從查閱的資料來看，深圳大學、浙江中醫藥大學、吉林大學、國防科技大學、中國科技大學、石河子大學、浙江工業大學、貴州財經大學等數十所高校都或多或少有人以seminar的方式開設專業課程，其中有的是全校性系統開設研討課，國防科技大學從2011年春季學期起在本科高年級學生中開設了21門專題研討課，全部以seminar的方式出現[3]。

二、Seminar教學組織過程

1.授課對象。授課對象為西南科技大學礦物加工工程專業學術型碩士研究生，所有學生經報送或通過全國碩士研究生招生統一考試錄取入學，學生學習成績較好，本專業理論基礎比較扎實。進行Seminar模式教學時，學生根據自己研究生期間可能遇到的研究課題，負責一個相近專題，以便提升學習的積極性，也能提高學生討論問題的興趣。

2.教材選擇和教師組織。在礦產資源開發利用過程中，由于礦物分離與富集的依據是有用礦物與脈石礦物之間的物理化學性質差異，表面物理化學的作用也不可替代[4]，因此，將《表面物理化學》作為礦物加工工程碩士點的學位課程之一；王中平等編著的《面物理化學》（同濟大學出版社，2015年）作為教材，內容包括界面和界面張力、表面化學三大經典公式、固-液界面的潤濕現象、固液界面電化學、范德華引力和膠體的穩定、固-固界面與粘附、氣-固界面的吸附、固體自溶液中的吸附、表面活性劑及其應用、常用表面分析技術、材料表面改性和制備應用[5]。其中界面和界面張力、表面化學三大經典公式和常用表面分析技術由教師主講，其余部分采用Seminar教學模式授課。教學團隊由1名主講教師、1名第二主講教師和1名助教組成，主講教師負責基礎理論授課，第二主講教師負責研討專題設置，助教負責成績評定表格設計以及成績統計。

3.授課內容。界面和界面張力、表面化學三大經典公式和常用表面分析技術由教師主講。其余內容結合學生研究課題設計研討專題，每次seminar完整教學過程包括理論課（2課時）—查閱研究文獻（教師指導課外完成，并制作PPT）—討論課（2課時）。三位授課老師緊扣教學大綱和培養方案，根據學生研究課題和當前研究熱點，討論確定專題方向，由第二主講教師引導學生查詢高水平文獻，初步判斷與課程內容的相關性和前沿性，選擇代表性論文，最終設置了“原子插層法測量石墨烯在石墨表面的粘附能”、“蒙脫石納米復合材料對Cr（VI）的吸附”和“三維石墨烯對水溶液中抗生素環丙沙星的吸附研究”等五個專題。學生仔細研讀論文，在指導老師探討相關問題過程中深刻理解論文研究內容的前提下，制作交流匯報PPT。介紹該論文與教材指導的相關性，如何將教材知識點應用于科學研究。

4.交流發言。與國外學生相比，中國學生受到傳統教育的影響，普遍不喜歡發表自己的意見，為此引導和調動學生發言的積極性和主動性是seminar教學模式成功與否的關鍵。要使學生踴躍發言，通常要做好以下三個方面的工作：（1）培養學生發言的品質，這種品質指的是發言者語言禮貌、態度大方，聽者虛心地學習和友好的幫助。對于正確的觀點見解，教師應加以贊同肯定，對于片面或錯誤的觀點，教師應進行修正和補充，課堂就會呈現出“百家爭鳴，百花齊放”的局面；（2）正確評價每位發言者，對科學問題每個同學都可以有自己的觀點，鼓勵不同的看法和見解，不主觀評價學生的對錯與否；（3）提高教師自身的親和力，我個人的習慣是多和學生交流，讓他們感覺和你討論問題是平等的，沒有任何壓力。討論結束后，教師應該對整個教學內容進行歸納總結，緊扣教材知識點，對各種觀點進行歸納點評。

5.成績評定。我們在《表面物理化學》Seminar教學模式中的成績考核主要包括三部分：文獻查閱（20%）、文獻閱讀探討（30%）、匯報交流（50%）。文獻查閱成績評定主要考慮時效性、針對性、論文質量等，文獻閱讀探討考慮閱讀熟練程度、問題認識深度、研究內容與教材知識關聯性認識、思考問題的深度等，匯報交流考慮PPT的質量、普通話水平、匯報邏輯性等。提前告知學生成績評定標準，各環節結束后，對學生表現進行成績評定。

三、結語

本文以西南科技大學礦物加工工程專業研究生學位課的《表面物理化學》教學過程中的授課對象、教材選擇和教師組織、授課內容、交流發言、成績評定進行了相關介紹。采用Seminar教學模式進行學位課授課，學生反響較好，覺得這樣的授課方式比“填鴨式”好，收獲更多，對基礎理論知識的認識更加深刻。但仍然存在些問題：（1）如何融合課程全部知識點，設置研討專題；（2）如何建立學生課堂表現的科學評講體系；（3）如何才能更好地培養學生探索問題和解決問題的能力；（4）如何科學合理評價學生學習成績等。我們將會在未來的教學中繼續探索和實踐，以期用Seminar教學模式進行學位課授課能成為可復制和推廣的模式。

參考文獻： 

[1]羅啟，高峰.Seminar教學范式的價值意蘊[J].長江大學學報（社會科學版），2011，34（10）：148-151. 

[2]張海燕.seminar教學法的應用模式探析[J].教育教學論壇，2014，（53）：170-172. 

[3]劉國福，楊俊，熊艷.本科生專題研討課教學的認識與實踐[J].高等教育研究學報，2012，35（3）：63-64. 

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1理論聯系實際．強化藥學特色

1．1與藥學實踐相結合

物理化學理論抽象、概念多、公式多，初學者不易掌握。如果在授課時僅僅是教會學生如何應用概念、公式去解題。學生往往會感到課程既難學又似乎沒有實際應用價值。因此在教學中應注重理論聯系實際，注重結合藥學方面的實際問題進行講授．把抽象的物理化學原理與藥學實踐相結合．注意用理論知識去分析和解決實際問題．使學生達到學懂會用，學以致用的目的。

第一，物理化學可為藥物新劑型的開發提供理論指導。混懸液、乳狀液、膠體等劑型的藥物配制都需要應用表面化學和膠體的知識點。例如。固體分散體是提高藥物吸收效果和生物利用度的有效方法，利用物化中的低共熔相圖原理，使藥物與載體以低共熔比例共存時，制成的藥物具有均勻的微細分散結構。可大大改善其溶出速度。如灰黃霉素一酒石酸低共熔混合物的溶出速度比純灰黃霉素的大2．7倍：48％尿素與52％磺胺噻唑制成的低共熔混合物的溶出速度是純磺胺噻唑的12倍田。微乳作為新的給藥系統之一，近年來被用于多種藥物制劑的開發．其突出優點有增溶，促進吸收．提高生物利用度．減少過敏反應等。如抗腫瘤藥喜樹堿在微乳中的溶解度提高23倍。在介紹膠體分散體系時，通過給學生引入“微乳”的實例。不僅提高了學生的學習興趣，也加深了學生對物理化學中枯燥概念的理解和掌握。

第二，為藥物研究和病變檢驗提供實驗方法。人的體液均為膠體，利用膠體粒子帶電的特點，通過電泳方法可分離體液，判斷某器官是否病變等。例如在電場作用下．可將唾液中的消化酶分離出來，這對單獨研究酶的活性提供了方便。又如當人體的脂質代謝遭到破壞時，血液中紅細胞的電泳率就會低于正常值．通過電泳的測定就可判定人體的肝功能是否正常網。這些實際應用均與膠體知識相關。

第三，為新藥的研發提供理論指導。化學藥物中合成路線選擇、工藝條件確定，反應速率及機制的分析，這些都需要化學熱力學及化學動力學基礎，而產品的分離和純化又需要相平衡的理論知識；相平衡中結晶、蒸餾和精餾、萃取等方法為天然有效成分的分離純化提供了很好的理論指導基礎等。

第四，為專業課程學習和研究提供理論基礎。實際上物理化學各章節的內容．都與藥學專業主要專業課如藥物化學、天然藥物化學、藥理學和藥劑學有千絲萬縷的聯系。藥理學中有關藥物的穩定性及體內代謝等直接與化學動力學規律相關；藥劑學中溶膠的性質需要電化學知識；在藥代動力學研究中，首先要確定模型是一室、二室還是三室，應用的則是化學動力學中一級反應和零級反應的知識等。

1．2與教師科研相結合

高校中的教學與科研是相輔相成、相互促進、缺一不可的，堅持教學與科研相結合，是培養學生創新能力的主要途徑，也是理論聯系實際的重要環節。將教師成熟的科研成果及時轉化為實驗教學內容，編寫為教材，保證實驗內容新穎，既有廣度，又有深度。學生把掌握的理論知識融會貫通地運用到實際中，把枯燥、抽象的知識變成了生動易懂的實驗，激發了學生的求學欲望，增加了學生學習的興趣和動力。筆者在教學中，結合有關抗氧化劑的構效關系研究與設計方面的科研工作。將化學熱力學、化學動力學等理論內容與科研實際結合起來，收到了良好的教學效果。課外，通過布置課程小論文，以物理化學原理知識在藥學方面的應用為題．讓學生主動搜尋資料，閱讀參考書，促使他們在論文撰寫中更進一步地理解理論知識和相關方法，同時也培養了他們基本的科研素養。

1．3與學科發展前沿相結合

物理化學作為基礎理論化學。往往給人一種遠離科技前沿的錯覺。實際上，物理化學原理是許多高新技術的基礎。且在高新技術領域有著重要的應用。因此。教師要密切關注物理化學領域的最新發展，結合學生專業特點和學校的科研特色，介紹基礎知識在相關領域的應用趨勢，引導學生思考，要站在學科發展的前沿反觀基礎、改造基礎、重建基礎。如在學習拉烏爾定律時，將拉烏爾定律與滲透、反滲透方法結合，講解其在宇航員制造太空水過程中的應用．使學生了解了科學技術和社會的關系。激發了學生強烈的求知欲望和學習熱情明；又如在學習表面現象這一章時，結合舉例2007年諾貝爾化學獎獲得者埃特爾有關一氧化碳在金屬鉑表面的氧化過程的研究，催生了汽車尾氣凈化裝置，從而了解表面化學的研究領域對制藥、化工產業影響巨大，物質接觸表面發生的化學反應對工業生產運作至關重要。加深學生對表面化學在物理化學學習中的相關內容的理解。通過這些前沿概念性的介紹，使學生在開闊眼界的同時啟發了創新性思維。通過在教學中不斷滲透前沿科學知識。不僅使物理化學教育富有生命力、感染力與時代感，而且培養了學生的科學素質，使他們的學習目標更加明確。教師在介紹前沿科技時表現出的熱愛化學、崇尚科學的情感和價值觀。也會對學生科學精神的形成產生深遠的影響。

1．4與生活實際相結合

比如我們在實際生活中遇到的氣泡，液滴，肥皂泡為什么都是球形的?在江河人海處為什么能夠形成三角洲等，通過與這些生活實際相結合，引導學生在物理化學的學習中得到解答。

2實現理論與實踐融合的途徑與手段

2．1加強藥學知識學習，提高教師藥學知識水平

要實現物化理論知識與藥學專業的融合，教師的業務水平至關重要。教師只有具備深厚的藥學和生命科學方面的專業知識，才能理解物化課程在藥學中的作用，在教學中將物理化學與藥學融為一體。目前從事物理化學教學的教師大多畢業于化學專業，缺少必要的藥學知識背景，而藥學專業的物理化學教學是要能更好地服務于藥學專業課的學習和藥學科學研究。這就要求教師除了花費大量的時間和精力備課外，還需要對藥學知識有所了解和掌握，需要教師不斷加強藥學知識學習，提高自己的藥學知識水平。有的學校要求化學基礎課教師必須聽完一輪藥學專業的相關課程，甚至參與某些專業課程的教學，這的確是非常有效的舉措。物化教師一旦了解和掌握了藥學專業知識，對于自身知識結構的優化，實現物理化學與藥學專業的融合都有十分重要的作用。

除了不斷提高自身的藥學知識水平外，加強與藥學專業課教師的聯系和合作也是實現理論與實踐融合的重要途徑。筆者在教學中，經常與藥劑學等專業課程教師交流。開展集體備課，了解物化基礎知識和理論在藥劑學中的應用，從而明確了教學中的重點，加強了理論與實踐的融合。突出了物理化學的基礎課地位和作用，取得了良好的教學效果。

2．2設立專題講座

結合藥學特點，開設與藥物化學、天然藥物化學、藥理學、生物電化學、藥劑學等藥學專業密切相關的系列知識講座，也是加強物理化學與藥學融合的一個重要途徑。

2．3開設綜合性、開放性實驗

理論知識與藥學專業的融合也體現在融合藥學特色的物理化學實驗的設計上。通過改進實驗內容，開設綜合性、開放性實驗，體現面向藥學專業的特色。例如，根據旋光法測定蔗糖轉化反應的速率常數實驗，可增加研究藥物有效期的實驗；將凝固點降低法測萘的分子量改為測葡萄糖的分子量，同時利用該實驗的原理和方法測定中藥注射液的滲透壓等。

在學習化學動力學章節時，教師結合藥學專業特色，參考藥物穩定性和代謝動力學知識，給出學生明確的提綱，讓學生查閱文獻，師生共同設計實驗方案，開設開放性實驗。讓學生在開放性實驗的設計、完成過程中，將物理化學理論知識更好地運用到藥學研究中，同時也可以培養學生基本的科研思維。

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自20世紀90中期以來，隨著能源價格的不斷上漲以及可持續發展要求的提高，資源和環境已成為人類可持續發展的首要問題，新型輕型合金材料的研究越來越受到重視，鎂合金憑借其優良的性能受到許多國內外專家的關注，但是，鎂合金同時也存在耐腐蝕性及附著強度差、易燃、室溫塑性變形困難等缺點，使得鎂合金的應用受到了很大的限制，因此，需進行有效的防護處理才能發揮其優良性能。目前，為了提高鎂合金的耐腐蝕性，通常需對其進行表面改性處理，主要有陽極氧化、微弧氧化、化學鍍、化學轉化、有機涂層等；其中化學轉化處理以其工藝簡單、成本低廉被廣泛采用。

我公司鎂合金零件產品因技術要求，需將鎂合金零件表面處理成黑色膜層，該膜層被廣泛用于光學儀器消光、涂裝底層及保護鎂合金之用，這就要求膜層具有極好的附著強度和在大氣中的耐腐蝕性，根據公司軍民品生產的產品品種、規格、零件大小、數量、技術要求等情況，結合公司現有設備及生產條件，在眾多的鎂合金表面處理方法中，我們采用化學轉化膜處理。通過一段時間的現行生產，鎂合金黑色化學轉化膜處理存在的主要問題有（1）膜層外觀、附著強度差；用脫脂棉可輕松擦去膜層，（2）膜層抗腐蝕性能差。這些問題已經成了鎂合金表面處理瓶頸問題，必需盡快加以解決。特別對于我們這樣的公司，光學結構件、軍品結構件近年來大量使用到了鎂合金材料，表面處理質量的好壞直接決定了產品質量的優劣，并且決定了產品投入成本的大小，做好鎂合金表面處理生產，是降低軍民品生產成本，避免損失，挽救制品的最有效途徑，意義相當重大。

2、試驗條件

2、1試驗所用化學試劑和鎂合金試樣

試驗所用鎂合金試樣為：50X30X10mm牌號為MB15(ZK61H18)；各合金元素的質量分數分別為：w（Al）0.05%

w（Mn）0.10%w（Zn）5.0~6.0%w（Zr）0.3~0.9%w（Cu）0.05%w（Ni）0.005%w（Si）0.05%w（Fe）0.05%w（Be）0.01%其它0.30%。

所用化學試劑為：NaCr2O2HO；MgSO7HO；MnSO5HO；添加劑（由中原電鍍技術實業公司生產）。

2、2工藝流程

上掛—脫脂—水洗—酸洗—水洗—化學轉化膜—水洗—填充—熱水洗—熱風干燥—下掛—檢驗，結合有關文獻資料。確定了鎂合金黑色化學轉化膜的基礎工藝配方為：

NaCr2O2HO120—150g/l；MgSO7HO40—75g/l；MnSO5HO40—75g/l；添加劑10—30g/l，操作條件：溫度85—100℃時間10—20min。

2、3檢測方法

2、3、1、根據WJ2607-2003《兵器產品表面化學處理與電化學氧化處理膜層通用規范》標準中的擦拭法檢測附著強度。

2、3、2、根據HB5061-77《鎂合金化學氧化膜層質量檢驗》標準中的滴定法檢測膜層耐腐蝕性。

3、正交試驗設計

試驗采用4因素3水平L（3）正交試驗方法，經分析確定

NaCr2O2HO；MgSO7HO；MnSO5HOl；添加劑，的含量為正交試驗的4個影響因素，分別用A、B、C、D表示，對于每個因素取3個水平試驗，試驗溫度85—100℃時間10—20min。正交試驗因素水平選擇如表1

表1g/l

水

平

A

B

C

D

Na Cr2O 2H O

MgSO 7H O

MnSO 5H O

添加劑

1

2

3

120

150

170

40

60

75

40

50

75

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出奇制勝――界面的構筑

循環腫瘤細胞作為重要的癌癥標志物之一，它的識別檢測近年來倍受關注，然而其在血液中極低的含量（億分之一），因此通常用于細胞分選的流式細胞分選儀的靈敏度（萬分之一）遠遠不能滿足檢測的需求。當前的領先技術是基于免疫磁珠的細胞分離技術，但是其靈敏度低，設備昂貴，費時等缺陷，仍然不能滿足惡性腫瘤血液檢查的需求，因此細胞檢測新材料與技術的出現顯得尤為迫切。

基于硅納米線陣列

通過制備識別抗體修飾的硅納米線陣列，以乳腺癌細胞作為靶向細胞，王樹濤開發了特異性識別、粘附腫瘤細胞的三維微納米界面。識別抗體使得硅納米線陣列對目標癌細胞具有特異性的識別功能，同時納米線能與細胞表面的微納米偽足相互作用，二者具有相似的尺度，從而獲得了比平面結構更強的作用力。這一工作利用微納米尺度效應對生物界面上的細胞粘附特性進行調控，結合特異性抗體和界面納米結構，大幅提高了界面對循環腫瘤細胞識別粘附的有效性，實現了腫瘤細胞的高靈敏的特異性捕獲。后來，受生物界中免疫系統的高選擇性識別粘附現象的啟發，王樹濤進一步提出了納米尺寸選擇和生物分子的識別協同效應，建立了結構選擇和分子識別的新的生物界面識別粘附模型。

王樹濤在此方面的研究是國際上第一個利用多尺度粘附可控的功能界面識別捕獲腫瘤細胞的例子，選擇性得到了3―4個數量級的提高。自2009年發表在Angew. Chem. Int. Ed.雜志以來，得到國內外同行的廣泛關注，被Science Daily及國內多家媒體進行專題新聞報道，同時被Nanomedicine做了題為“硅芯片上的納米柱增加了檢測靈敏性”專題新聞評述，指出“該技術在癌癥診斷上很有潛力，它能給醫生提供患者病情的相關信息和檢測治療的效果”。王樹濤因此獲得了2010年世界科技獎材料類提名，這在之前中國只有兩位教授獲此殊榮。

基于聚合物納米簇

自2010年回國后，與日本理研及美國加州大學的合作者合作制備了腫瘤細胞特異性抗體修飾的導電聚合物納米簇表面代替相對硬的硅納米線表面。研究結構表明，相對較矮的聚合物納米簇（1―2微米）仍然取得了與較高的硅納米線（8―10微米）相當的細胞特異性識別粘附的結果。結果發表之后，被Science Daily等以“診斷工具：負載抗體的聚合物薄膜能捕獲腫瘤細胞”為題作了亮點介紹。

重磅出擊――粘附的研究

血液中的痕量循環腫瘤細胞的捕獲問題通過我們發展的細胞粘附界面可以解決，而如何在捕獲后將痕量的腫瘤細胞無損的釋放是難題的關鍵。通常，生物實驗室用胰蛋白酶將細胞與基底間的蛋白水解，使細胞從基底上去粘附。但是這個過程，不可避免對這些痕量的腫瘤細胞造成損壞。

針對以上問題，王樹濤設計了一個用核酸外切酶來完成高效快速釋放的細胞粘附去粘附三維納米生物界面。研究中選擇了對癌變淋巴細胞特異性識別的核酸適配體作為細胞識別和捕獲分子，將之修飾到硅納米線陣列表面。與平的表面相比，這個界面提供了一個三維的細胞接觸模式（多點接觸），酶可以多點同時切斷核酸適配體，細胞去粘附的過程變得更容易、更快速，且不對細胞本身產生傷害。相關結果在Adv. Mater.上發表并選為封面文章。審稿人高度評價“這一結果是非常振奮人心的，……，將引起細胞材料的相互作用領域的研究者極大的興趣”。之后又被Wiley出版社的MaterialViews中國等新聞報道，稱該研究提供了一個“高粘附易釋放”的細胞檢測平臺。因此，王樹濤也受到Science Publishers出版社邀請為納米醫學專著《Nanomedicine in Diagnostics》上撰寫題為“Emerging Nanotechnology for Efficient Capture of Circulating Tumor Cells”的章節。

美妙福音――腫瘤的檢測

研究表明，惡性腫瘤的死亡率與各國的國民收入成反比，低收入國家的惡性腫瘤患者死亡率一直高居不下。一個重要的原因，是癌癥診療的費用非常高，除了藥物外，其中很大一部分是檢測的費用。如何發展一個高效、便宜、簡單的腫瘤細胞檢測器件成為世界各國的關注熱點。

鑒于以上的問題，王樹濤發展了廉價、易操作的第一代基于細胞粘附界面的腫瘤細胞檢測器件――將細胞特異粘附硅納米線界面，做成尺寸規范化的檢測芯片試劑盒。操作流程非常簡單，不需要另外昂貴的設備，絕大多數的生物實驗室或醫院的檢測中心都具備檢測條件；這種簡單的檢測器件在全血中的細胞識別捕獲效率在有40%左右；重要的是其細胞識別檢測時間從4―6小時縮短到2小時左右。這些優點基本上可以滿足發展中國家普通患者做細胞基的癌癥檢測和術后監測的需求。該成果已申請國際專利。因為其特異高效的細胞粘附特點，被Science Daily等稱作“捕蠅紙”式腫瘤細胞檢測器件。

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基金項目：本文系遼寧省“十二五”規劃課題（課題編號：JG11DB140）、遼寧省教育廳教改項目（項目編號：884-4-4）、遼寧科技大學標志性成果建設項目（項目編號：kdjg10-11）、遼寧科技大學研究生創新教育計劃項目（項目編號：2012YJSCX23）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0117-02

“物理化學”是化學學科中的一門重要學科，是遼寧科技大學（以下簡稱“我校”）化工、環境、生物、材料、冶金、無機等各專業的專業基礎課程。“物理化學”課程作為四大基礎化學課程的核心，其與無機化學、有機化學、分析化學的最大區別在于其概念抽象、理論性強、公式多、原理多、推導多、知識的邏輯性和前后關聯性強。[1]因此，不少學生畏懼物理化學學習，缺乏學習興趣。針對“物理化學”課程特點和學生學習實際，為提高學生學習興趣，優化教學效果，從教學內容、方法、手段等方面介紹了教學過程中的一些具體做法。

一、精選教學內容，引導學生研究性學習

在傳統的“物理化學”教學中，往往采取老師在講臺上講授，學生在下機械地記的形式，學生學習的內容基本上都來自于教師在課堂上的講授，這樣不僅不利于調動學生的學習積極性和主動性，而且容易出現滿堂灌現象。為了盡量減少單純的“灌輸式”講授，促進學生以研究性方式進行學習，在全部教學內容中，對適合教師講授、學生自學、學生獨立探究的內容進行選擇，從內容選擇上避免所有的內容都由教師講授。對于那些難度很大，學生以現有的知識難以自學或學生可以自學，但自學可能要消耗過多的時間和精力的內容由老師講授。在此范圍之外的內容，凡是學生能夠自學的均應放手讓學生自學。[2]通過自學，較大地減少教師對課本內容的講解時間，而且講授時不再需要按書本去灌輸，可以用節省下來的課堂時間補充新的習題，或融入跟蹤時代的新內容和前沿講座。[3]例如，在學習表面現象這一章時，舉例2007年諾貝爾化學獎表彰德國科學家格哈德?埃特爾在固體表面化學過程研究中作出的貢獻，從而了解表面化學的研究對于化學工業至關重要，加深學生對表面化學在物理化學學習中的相關內容的理解。又如在學習膠體化學一章時，可以結合家喻戶曉的納米技術。納米材料具有許多神奇的功能，如此微小尺寸的材料是怎么得到的呢？化學家就利用膠體化學中具有納米尺寸的油包水膠束作為納米反應器，從而合成了各種無機、有機、高分子納米粒子。[4]這些前沿內容的介紹，不僅可以擴大學生的知識面，而且對學生今后工作或創新研究也將起到重要作用。

二、改進教學方法，提高教學質量

1.采用圖表法進行章節公式歸納總結，解決物理化學公式多難記憶的問題

“物理化學”課程的學習中，學生普遍反映公式多，條件多，容易混淆。由于學生剛剛學習物理化學，還不能對它有較深刻的認識，對公式只能死記硬背，這就需要教師為學生進行總結，使學生易于記憶。[5]例如熱力學第一定律和第二定律的應用中，主要是計算各種過程的Q、W、、、、、，由于公式較多，最好采用列表的方法。表1列出了理想氣體經歷不同的過程時，Q、W、、、、、等各熱力學變量的計算公式，這樣可以使得眾多的公式條理關聯化。學生在復習時一目了然，不容易造成混淆。

2.理論聯系實際，注重啟發式、案例式教學

“物理化學”學科中有些內容比較抽象，不容易被學生接受和理解。為此，在教學中注意理論聯系實際，列舉一些和生活息息相關的實例，啟發學生用所學知識、原理、方法去解答，調動學生的學習積極性，激發學生的求知欲望。[6]

例如，講熱力學第一定律時，列舉空調、電冰箱的熱功轉化問題；講到稀溶液的依數性時，列舉鹽堿地的農作物為何長勢不好，甚至會枯死；講到化學平衡時，列舉高爐煉鐵中反應Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2，高爐廢氣中含有大量的CO，為什么延長爐身，不能減少廢氣中CO的含量；[7]講化學動力學時，可以問“大家吃的面包為什么2、3季度保質期短，而1、4季度保質期相對長些”；又如講到表面現象時，列舉為什么有機蒸餾實驗要加入沸石，活性炭具有吸附作用以及人工降雨和毛細管現象等問題。

實踐表明，在“物理化學”教學過程中，根據所講授的內容，適時地應用一些生動的來自實際、生產、科研的實例，使學生體會到物理化學是“有用的”，是可以看得見、摸得著的，從而激發學生的學習興趣，變學生由“被動學”為“主動學”。

3.多媒體與傳統板書結合，優化教學效果

在“物理化學”講授過程中，針對不同的教學內容應采用適當的教學手段。多媒體的應用使原本枯燥無味的理論知識，通過生動、形象、直觀的形式表現出來，調動了學生的學習興趣，為教師節省了大量板書繪圖的時間，加快了知識點的講授速度，課堂教學的信息量大大增強。[8]實踐結果表明，多媒體與傳統板書結合不僅使課堂教學生動形象，感染力強，改善學生的理解力，而且動態地啟迪學生的思維，實現了學生與老師的互動，學生不再單純聽課，可利用節省的時間共同交流，從而促進了教學內容與體系的改革。[9]

三、量化考核評價方法，提高學生綜合素質

考核是檢查、評價學生學習情況的一種方法，是教學的重要環節。[10]多樣化的考核手段可避免學生因一次考試失誤而引起的遺憾，同時也能督促學生平時要好好學習。在新學期開始就告知學生，“物理化學”課程的成績包含平時成績和期末試卷成績兩部分，在總評成績中平時成績會按一定比例體現。成績按以下比例計算：在總評成績中，期末考試成績與平時成績的比例為1：1；在平時成績中，平時出勤和作業、平時測驗或論文、課堂回答問題、實驗情況都作為考核的方面；量化50分平時成績指標（如表2）。注意在進行平時成績評定時，重點放在對學生能力的考查，以利于學生能力的培養。

四、結束語

“物理化學”是一門基礎理論性和實踐性都很強的課程，它不僅是許多其他課程攻堅科學難關的武器庫，而且為現代的化學以及物理、材料等許多領域的發展提供了強有力的方法。“物理化學”教學中要繼承傳統的教學思想，形成良好的現代教育理念，對教學方法、手段進行不斷的改革和實踐，與時俱進，激發學生學習興趣，提高教學質量。

參考文獻：

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篇6

物理化學是大化工類各專業本科教學計劃中的一門專業基礎課程，是理論性、系統性、邏輯性都很強的一門課程。由于學科本身公式繁多、概念嚴格、推導復雜，容易導致學生學習困難，知識掌握不牢、理論與實際脫節等問題，對大化工類相關專業的后續課程的學習帶來不利影響。[1]長期以來，物理化學的學習一直是學生的難點。近年來，小班研討這種創新性的教學模式由于在激發學生的學習興趣和熱情、引導學生養成自主學習的習慣、培養學生的創新思維能力和知識交流的能力等方面具有優勢，逐漸被應用于許多學科的課堂教學。[2]

通過近幾年的教學實踐，我們認為，將小班研討應用于工科物理化學課堂教學時，教師要充分發揮在教學過程中的主導地位[3]，合理地選擇研討內容，這樣才能發揮小班研討的上述優勢，達到既定的教學目標。結合本校工科物理化學教學的實際情況，我們對工科物理化學小班研討的研討內容，提出下列的思考并進行了實際的探索。

本校使用的教材是科學出版社出版的普通高等教育“十一五”國家級規劃教材《物理化學教程》。在該教材的框架體系下，我們認為工科物理化學課程除了培養學生具有扎實的基礎知識、良好的邏輯思維能力，建立科學的思維方法外，還應當突出基礎理論與實際應用并重、注重聯系實際的工科特色；并能夠關注學科發展前沿，理解新興領域的研究思路。因此，在小班研討的研討內容選擇上，就要兼顧上述三個方面。

此外，本校本科學生在二年級上學期和下學期學習物理化學課程，這時學生正處在由基礎課程到專業課程學習的過渡期，學生的理論聯系實際的能力和創新意識都較薄弱；同時，多數學生的口頭表達能力尚需鼓勵和培養。在研討內容的選擇上也需要考慮這個問題。

一、基礎核心內容的研討

對于熱力學、動力學、化學平衡和相平衡這部分基礎核心內容，在教學過程中，為了讓學生形成完整的知識系統，教師要站在整個學科的高度向學生講述物理化學的主要框架和思想方法。

首先，研討內容中學生的陳述內容可選擇對每章的重點進行歸納總結，討論內容可以選擇學生易于混淆的概念、定理和基本原理進行辨析。對基礎核心內容的難點問題，教師可通過擬定思考題的形式由學生進行討論。這樣做一方面可以夯實基礎，強化學生的自主學習能力，為理論應用于實際打下基礎；另一方面，可以逐漸培養學生的口頭表達能力和學術交流能力，使研討能夠循序漸進地越做越好。

其次，在基礎理論建立的過程中，通過分析科學家的研究過程、研究方法，可以學習科學家的邏輯思維方法。因此，從物理化學發展的歷史中，選取某些知識的起源、發展和完善的歷史作為研討內容，通過學科發展和背景的討論能促進學生對理論和公式的深刻理解，讓學生掌握系統的學科思想方法。此外，科學家的生平介紹，研究方向的確立與變化，也可作為研討內容，這樣可以激發學生的學習興趣和熱情。

此外，融合章節間的研討內容可以讓學生對所學知識融會貫通，培養學生綜合分析問題的能力。例如：以某一具體實例，將熱力學和動力學結合起來，研究化工生產的反應條件。首先采用熱力學中化學反應的等溫方程判定反應的自發性，再采用等壓方程優化反應溫度，結合動力學中溫度對反應速率的影響，在綜合考慮平衡轉化率和反應速度的基礎上，確定最佳反應溫度，反應時間等參數。這類的研討內容可以提高學生分析問題的能力。物理化學課程中有許多相似的邏輯關系，這種相似的邏輯關系背后隱藏著更深刻的內在聯系。例如，基于熱力學的狀態函數方法獲得的相變焓與溫度的關系，與化學反應焓變與溫度的關系極其相似；在相變熱力學中純物質氣液或氣固兩相平衡中，飽和蒸氣壓與溫度的關系，在化學反應熱力學中，標準平衡常數與溫度的關系，在化學反應動力學中，速率常數與溫度的關系，三者極其相似。這些沒有現成答案的研討可以活躍學生的思維，培養學生探索未知領域的意識和勇氣。

二、擴展內容的研討

工科物理化學的擴展內容為電化學、膠體化學和表面化學，這部分內容與科學研究和生產實踐聯系緊密，學生既可以用基本原理來解釋自然現象，又可以用基本原理來解決實際問題。這部分的研討內容相當豐富，也是探討的重點。

例如：在電化學領域內，研討腐蝕產生的原因以及應對策略，如陽極保護、陰極保護、鈍化等措施的應用；研討玻璃電極、離子選擇性電極、化學電源、電化學合成的原理、裝置和應用。在表面化學的學習中，研討表面活性劑，從表面活性劑的結構到表面活性劑的性質，再到用途，如作為劑、去污劑、增溶劑和乳化劑等；研討膜分離技術，基于膜具有較大比表面的特殊的表面性質，被應用于化工、食品、醫療、衛生等領域；研討具有巨大比表面的吸附劑和納米材料，它們的結構、性質和在工業生產和人民生活中的用途；可研討毛細現象，解釋“鋤下有水”，“棉布吸水”等自然現象；研討潤濕現象，解釋眼鏡起霧的原理，并采取有效措施預防。學習膠體化學時，研討解釋膠體穩定性的DLVO理論，找到膠體穩定存在的原因，從而制定出破壞膠體的措施或者穩定膠體的對策；研討電泳的原理，在分析化學、生物化學、臨床化學、毒劑學、藥理學、免疫學、微生物學、食品化學等各個領域的應用。

這部分的研討著重從基本原理的應用，到實驗裝置或生產設備的建立，再到工藝條件的選擇，能訓練學生將基本原理用于解決問題的習慣和能力，有助于學生形成系統發現問題、分析問題和解決問題的能力。

三、與專業相結合的學科前沿的研討

本校每年學習物理化學的本科生有1000多名，專業涵蓋大化工的許多專業，如冶金、材料、化工、環境、輕工等專業。大化工的不同專業的后續課程對物理化學知識的延伸和應用存在差異。比如，冶金和材料類的專業對相平衡知識應用較多，制藥和紡織等專業對膠體化學的知識應用較多。針對這一特點，小班研討的內容可視學生的專業特點而定，由學生自主選題，著重于工程應用和學科前沿。

在小班研討的實踐過程中，這部分的研討尤其讓教師深刻地體會到學生自身的巨大潛力和可塑性。例如：學習了相圖中的臨界狀態，引出新興的超臨界流體萃取技術，食品專業的學生主要研討用于萃取啤酒花、香辛料、植物色素和動物油脂等超臨界流體萃取的原理、裝備和工藝條件等；制藥專業的學生主要研討將之應用于中藥有效成分的提取和中藥的現代化；化工專業的學生主要研討天然香精香料和天然色素等的提取；環境專業的學生研討萃取污水中的有毒物質，如有機氯、有機硫等。關于電化學的應用，對環境科學和工程專業的學生，研討將電化學氧化、電化學還原、電凝聚和電滲析等方法用于廢水處理；對化工專業的學生，討論燃料電池、新型海洋電池的設計原理、工作方式等；對生物化工專業的學生，研討生物電催化、微電極傳感器的原理及應用。當學習表面張力的時候，研討內容對冶金專業可選擇表面活性劑用于礦石的浮選原理與應用；對紡織專業，可選擇荷葉效應對材料制作的啟迪；對于生物化工專業，新型的生物表面活性劑又是研究的熱點，由于它與環境具有兼容性，既無毒又可被生物降解，隨著人們環保意識的不斷增強，生物表面活性劑越來越受到人們的關注，需要研討生物表面活性劑的結構、制備、應用以及與傳統表面活性劑的優缺點比較等。在膠體化學中，微乳狀液的制備和應用，雙向凝膠電泳的技術及應用也是目前研究的新方向，可以提供給高分子材料專業的學生作為研討內容。

四、結論

在知識更新迅速和信息爆炸的時代，迫切需要掌握扎實的基礎知識，具備將基礎知識應用于實際的能力，能夠客觀分析各行業的實際需求，創新性地解決問題的人才。在近幾年小班研討的實踐中，我們逐漸發現，只有通過多層次、全方位、針對專業特色地精選研討內容，才能循序漸進地培養人才的綜合素質。在夯實學科基礎知識的基礎上，培養學生理論聯系實際的能力，能進一步提升學生的創新性思維能力，最大限度地發揮小班研討的作用。

[ 參 考 文 獻 ]

篇7

一、鉆井液濾液在井底巖石作用接觸角

采用2.5潤濕接觸角測量方法對不同KZ-1加量的鉆井液濾液在溫度為25℃下進行潤濕接觸角測量。

分別配置含KZ-1，0.1%、0.3%、0.5%、0.8%、1.0%的鉆井液體系，通過API失水壓得濾液，對所得濾液進行潤濕接觸角測量，結果如下。

由圖1看出隨著KZ-1量的加大，其潤濕接觸角呈現上升趨勢。在KZ-1的cmc濃度附近達到穩定值280。隨著濃度繼續加大，曲線繼續上升，但走勢略緩。其潤濕反轉性能有所降低。可以得出在快鉆劑加入量為其cmc濃度附近，鉆井液體系濾液對井壁巖石的潤濕接觸角趨于穩定，井壁巖石由弱親水轉化為強親水狀態。

二、鉆井液濾液在泥頁巖表面吸附特征

表面活性劑分子在液/氣、液/液、液/固界面上的吸附狀態和分子取向,在諸如潤濕、乳化、分散等應用領域起著決定性的作用,目前對低分子表面活性劑在界面上的吸附研究較為深入。與低分子表面活性劑不同,高分子表面活性劑分子鏈節較多,易在界面上形成穩定的膜。同時與均聚物的吸附狀況也不同,由于雙親性結構中親水或疏水作用易導致多層吸附發生,使吸附量較大。有關聚醚型表面活性劑分子界面取向的研究已有報導,但其分子量較小,分子結構亦不復雜。對于大分子量的高分子表面活性劑,由于分子鏈長,結構復雜,對其在界面上的吸附狀態少有報導。

由于溶液中的表面活性劑存在疏水作用，盡管在親水頭的作用下它們能夠溶于水相，但疏水基仍會自發從發從水環境中逃離并向界面遷移，將疏水基伸入另一相中形成定向吸附。當溶液表面達到飽和吸附后，溶液中的表面活性劑不可能進一步向界面上遷移，此時則必須以另一種方式來滿足疏水作用的要求。

一般認為當表面活性劑吸附達到飽和后，為了滿足表面活性劑分子的疏水基力圖從水環境中逃離的熱力學趨勢，這些表面活性劑的疏水基常常在溶液相中自發締合起來，以消除圍繞在疏水基周圍的水分子對疏水基的影響[2,3]。這種自發締合的結果將導致表面活性劑分子形成親水基朝向水相，疏水基聚集在中央的束狀或球狀團簇結構，這種團簇結構便被成為膠束如圖2所示。

一旦表面活性劑在溶液中形成膠束，所有過剩的表面活性劑便從水化固體或單體狀態轉變為團簇狀態，溶液的性能也便隨之發生突變[5]。

由于表面活性劑膠束是膠體尺寸的粒子，故溶液的性質便表現出膠體溶液的性質，因而不同于前述的表面活性[4,5]。盡管導致膠束化以及導致界面吸附的表面活性劑的結構因素及分子微環境因素是一直的。因此當表面活性劑溶液濃度達到或超過cmc后，對溶液化學研究而言，意味著界面化學的結束和膠體化學的開始。

表面活性劑的親水基和疏水基的相對強度也可以用基團的體積大小來直觀表示如圖3所示。這里的體積大小仍然不是代表基團的絕對尺寸比較，而是考慮了離子頭排斥和氫鍵水合分子的影響后的相對強弱。

將KZ-1配置為濃度為cmc，將待測巖心浸泡在KZ-1溶液中若干時間。進行電鏡分析。

圖4為潤濕反轉劑KZ-1浸泡過的巖心。從圖4(b)我們可以看出KZ-1在巖心表面有大量的膠束存在，成球狀，直徑在100nm左右。說明KZ-1符合上述所分析的表面活性劑膠束形態以及膠束特征。且在固體表面成規則形狀。圖4(a)所示為其膠束產生的一些吸附分子層。

三、結論

本文對潤濕反轉型快速鉆井液體系分子表面作用規律進行了評價。得出如下結論：

1.評價了潤濕反轉型快速鉆井液體系分子表面作用規律，通過潤濕接觸角測定分析發現鉆井液體系的潤濕接觸角在加入鉆井液處理劑KZ-1后其cmc時為280；

2.KZ-1在固體表面呈現球狀膠束規則排列。

參考文獻

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篇8

0引言

在交通運輸、航空航天、電力通信等領域，設備表面結冰帶來恨得危害和安全隱患。為了減少安全隱患，人們提出了許多防冰與除冰方法。目前國內外通常采用以下三種方法：物理法，如加熱法、機械法；化學法，如噴灑鹽水、涂抹防冰液等；被動防冰法，在基體表面構建抗結冰功能涂層。前兩種方法因操作簡便而使用廣泛，但其存在工作強度大、效率低、環保性差等諸多問題，在使用中受到限制。被動防冰法成本低、耗能小，易于施工，是一種理想的防冰方法，具有極大的應用價值，因此抗結冰涂層的研究備受關注。

1涂層表面特性與抗結冰原理

凍粘是冰與材料表面的粘附，既可以是分子間的范德華力，也可以是化學鍵作用，還可以是界面上微觀的機械連接作用。固體表面的狀態，如表面的化學性質、粗糙度、溫度等都將直接影響表面粘附界面的形成，從而影響凍粘強度。其中，表面的濕潤性對凍粘的影響較大。

根據接觸角θ大小，可以將材料表面分為疏水表面和親水表面，疏水表面（θ>90°）凍結時水膜不連續，所形成的冰膜也就存在缺陷，易發生破壞。因此，疏水材料具有減粘防粘的作用。

涂層表面的粗糙度也是決定凍粘強度的重要因素之一。合適的微觀結構和粗糙度，不僅可以提高表面的疏水性能，延遲冰晶的出現，而且可以吸留空氣，造成冰與基體界面間的應力集中，降低凍粘強度。

2 抗結冰涂層國內外研究進展

根據抗結冰原理，目前對抗結冰涂層的研究主要集中在犧牲性涂層和疏水性涂層兩類。

犧牲性涂層的表面能夠釋放出抗結冰劑或油脂類物質，降低冰的凍粘強度，因此犧牲性涂層具有良好的抗結冰效果。2007年，Ayres等[1]通過溶膠-凝膠法制備了有機-無機雜化鈦基先驅體，并與環氧基聚合物復合得到抗結冰緩釋涂層，涂層經水解可釋放出抗結冰劑。實驗表明，這種涂層能夠通過抑制冰的成核和粘附，達到良好的抗結冰效果。2012年，黃碩[2]分別通過溶膠-凝膠法和電解法制備了鈦、鋁、鐵的有機金屬化合物，與PRTV硅橡膠涂料混合制備了融冰型防覆冰復合涂料，并詳細研究了涂料的融冰機理。犧牲性涂層需要通過化學反應釋放抗結冰物質，有效期較短，并且所釋放的抗結冰物質會對環境造成損害，因此其應用受到限制。

疏水涂層主要是含硅、含氟的聚合物，這兩類聚合物具有較低的表面能，能夠降低冰的凍粘強度。

2007年，Hoover等研制開發了一種有機硅抗結冰涂層，其對冰的附著力非常低，冰剪切強度僅為19-50Kpa，并且經過刮擦、熱/濕老化、鹽霧試驗后，仍然能夠保持優異的抗結冰性能。Yu等[4]用嵌段和接枝的方法分別制備了不同分子量PDMS與聚丙烯酸酯的共聚物PC-b-PDMS和PC-g-PDMS，詳細研究了涂層表面結構與冰的凍粘強度之間的關系。實驗結果表明，由于涂層表面微相分離的存在，使得這兩系類共聚物與冰的凍粘強度明低于聚氨酯材料，尤其是PC-b-PDMS和含有長側鏈的PC-g-PDMS表現更為明顯。

2010年，Jafari等等在具有微納米結構的三氧二化鋁表面構建了一種聚四氟乙烯的抗結冰涂層。涂層表面的接觸角可以達到165°，具有很強的疏水性。X射線光電子能譜（XPS）結果表明，涂層表面含有大量的-CF3和-CF2，極大地降低了涂層表面的自由能，使冰在聚四氟乙烯表面的附著力低于鋁基材表面3.5 倍。

Yang等利用燒結、旋涂等方法制備了聚四氟乙烯、含氟聚氨酯、氟硅橡膠幾種含氟疏水涂層，并研究了各種涂層的抗結冰疏冰性能。通過研究其冰剪切強度和覆冰量，結果表明：-8℃下，光滑的含氟聚合物表面能夠顯著降低冰在材料表面的附著力，但是不能明顯降低覆冰量；經過噴砂處理的具有粗糙結構的含氟聚合物表面能夠減少覆冰量，但卻因為接觸角隨溫度下降而變小，導致了冰附著力增加。

Wang等[7]使用全氟聚氧烷基碳酸氮素衍生物涂敷在銅表面，成功得到了厚度10nm的納米氟碳膜涂層。通過研究結冰過程發現，涂層表面高的接觸角和低的后退角不僅可以有效延遲結冰時間，而且增加了整個結冰過程的時間。

目前，對抗結冰涂層的研究仍然存在一些難題：抗結冰涂層研究的測試方法和測試手段有限，主要包括冰的凍粘強度和覆冰量，但是沒有統一的標準，導致材料之間的抗結冰性能測試結果之間沒有可比性；材料的抗結冰性能與其表面微觀結構有關，隨著使用次數增多，涂層表面容易被破壞，導致抗結冰性下降，不能滿足長期使用的需求；在抗結冰機理方面，仍然未能建立表面化學組成、微觀結構與抗結冰性之間的確切關系，需要進一步研究。

3 結論

盡管目前抗結冰涂層的研究已經取得了相當大的進展，但是相關的研究也不容忽視，如涂層與基材間的附著力、涂層的施工工藝、抗結冰性的長效性等方面仍然存在一些亟待解決的問題。我們相信，隨著科技的不斷進步，研究方法的不斷增多，抗結冰涂層的性能可以得到進一步完善，其應用范圍將不斷擴大并發揮更大的作用。

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篇9

廣西大學化學化工學院物理化學課程組承擔著全校理、工、生、農等專業物理化學課程的理論教學和實驗指導工作，根據專業教學大綱的不同，化學和應用化學這兩門理科專業的物理化學實驗獨立設課，計108學時；而工、生、農專業的物理化學實驗與基礎理論課相結合，實驗部分計33學時。課程組根據教學班級編制實驗班并開展工作：實驗教學分層次培養，分為基礎層次、提高性層次和科研性層次三類，它是在提高實驗課教學效率的同時，把大綱要求的教學與開放性實驗教學結合起來，在規定的實驗時間內，既完成教學大綱要求，又能使能力強、興趣濃的學生在創新精神、動手能力方面得到進一步加強[3]。從表1中可以看出，實驗教學改革不僅注重縱向分層次，使實驗教學循序漸進，在夯實基礎的同時構筑高地；也注重了橫向的分層次，將實驗等級不斷提高，依據學生的專業及他們的意愿和能力，選擇不同層次的實驗，給予學生更大的積極性和創造性的發展空間。

（一）基礎層次

基礎層次主要包括工、生、農等相關專業的學生，占開展物理化學實驗學生的80%以上，該層次強調實驗與理論教學統籌協調，旨在讓學生更深入地理解和掌握物理化學的一些基本原理、基礎技術與實驗方法。目前開設實驗8個，涵蓋了化學熱力學、相平衡、化學動力學、電化學和表面化學的內容。其中電化學部分開設實驗1個：波根多夫對消法測定原電池電動勢。該實驗為驗證性實驗，可使學生對銅、鋅等電極有初步的感性認識，學習電極制備與處理的基本技能以及電化學測量體系的組建、電解池與電解質溶液的選擇等基本操作；通過原電池電動勢的測定實驗，訓練基本物理量電勢的測定以及電位差計的測量原理和正確使用方法。在教學上，由教師嚴格把關，把實驗要求、原理、步驟等較完整地提供給學生，使學生通過實驗，達到感性認識的訓練目的。

（二）提高層次

提高層次實驗開放的對象為本學院化學和應用化學這兩門理科專業的學生，每年向約80名學生開放。旨在使學生在教師的啟發和指導下，通過認真思考和研究完成實驗，達到更高層次上對電化學的全面掌握，除了基礎層次的實驗內容，引入一些實驗技能要求較高，知識點覆蓋更廣泛的實驗，同時開設設計性實驗。該層次開放必修實驗13個，此外還有3～5個設計性實驗。目前的電化學設計性實驗《金屬-空氣電極的制備及性能檢測》是物理化學教學改革過程中將原有實驗《鉛蓄電池及其充放電曲線的測定》改進后開設的，克服了原有使用成品密封鉛蓄電池，學生無法觀察電池的正負極、電解液和隔膜等結構，只能簡單操作測試儀器，實驗內容單一的缺點。并且金屬-空氣電池是目前化學電源的研究熱點之一，改進后的實驗內容不僅涵蓋了原實驗內容的設計要點，更是結合了實驗設備等硬件設施建設情況，貼近社會需求和科學技術發展水平。在教學上，結合理科專業的培養目標，要求提高層次的學生能在預習過程中就能夠結合所學的物理化學知識基本掌握實驗內容。實驗過程中是由學生進行實驗目的、原理和實驗步驟的講解，實驗指導教師做補充并指出實驗要點和注意事項，同時引入討論課或小論文等環節。提高層次學生的教學目標是：掌握實驗原理，實驗操作規范，實驗報告正確，實驗討論合理。上述措施旨在端正理科專業學生的科研態度和提高學以致用的能力，為將來的科研實踐工作打基礎。

（三）科研層次

科研層次的教學是結合我校“大學生實驗技能和科技創新能力訓練基金項目”進行的，該項目于2012年7月開始啟動，旨在鼓勵和支持本科生早進課題、早進實驗室、早進團隊，在導師指導下強化實驗技能，參與科學研究或工程設計，增強本科生創新、實踐、創業、就業等四種能力，提高人才培養質量。因此，參與項目的本科生需要開展的是某一科研課題的研究，以有關物理化學實驗技能為基礎，充分利用物理化學基礎實驗室的現有條件，在教師的指導下開展科研活動。項目開展兩年多來，第一批項目已經結題，學生均反映基礎層次和提高層次學到的一些實驗技能，如電池測試、粘度測定，比表面測定等測試技術都能用在科研實踐中，相關理論知識也得到了進一步鞏固。

三、分層次實驗教學模式對實驗室建設的作用

實現分層次實驗教學后，實驗室的建設也可以分層次進行。2014年，課程組出版了新的《物理化學實驗》教材，使大學物理化學實驗適應新的發展形勢：針對更新后的設備，對基礎層次的實驗內容進行了調整，如《乙酸乙酯皂化反應速率常數的測定》。同時，結合本次課程組教師的科研成果增加了一些提高層次的綜合性、設計性實驗，如《藥物有效期的測定》、《TiO2納米材料的制備與表征》等。對科研層次主要是引進先進的精密儀器，提高測定準確率，目前物理化學基礎實驗室已更換了比表面測試儀，不僅能在實驗教學中起作用，更能為學生開展科研項目提供分析測試平臺，利用測試數據發表的科研成果也能夠激勵教師和學生及時地改進實驗方法，不斷更新實驗題目，充分鍛煉教師和學生的實踐能力和創新精神，促進實驗室的建設。

篇10

馬里奧?卡佩奇現年70歲，目前是美國猶他州醫學院著名教授、人類基因系兩位主任之一。卡佩奇1937年出生于意大利維羅納，少年時移民美國。他在俄亥俄州安提亞克學院獲得了化學和物理學學士學位，在哈佛大學獲得生物物理博士學位，其博士論文是在DNAg5(螺旋結構發現者、1962年諾貝爾生理學和醫學獎獲得者詹姆斯?華生的指導下完成的。

卡佩奇在哈佛時就是一位成果豐富的研究者，他發現了導致蛋白合成的分子機制。當他于1973年在猶他大學建立實驗室時，便試圖將分子基因學引入到對動物細胞的研究，以便獲悉如何掌控這些細胞里的基因。卡佩奇于1977年開始一系列實驗室研究，這些研究展現了對動物細胞進行基因打靶的技術，并在1989年成功對一只老鼠進行基因打靶。

奧利弗?史密西斯教授任職于美國北卡羅來納大學，研究方向主要集中在兩個方面：一方面是對異形基因進行修正，另外一個便是利用人類基因病變構造動物模型，以發現新的疾病治療方法。

多年來，奧利弗?史密西斯教授及其助手深入研究了“基因打靶”的具體操作方法，并借助這項技術治療地中海貧血癥。

66歲的馬丁?埃文斯曾是英國卡的夫大學哺乳動物基因教授和生物科學學院院長。埃文斯于1963年畢業于劍橋大學，他在這之后決定研究基因對肢體發展的控制，在倫敦學院解剖與胚胎系攻讀博士學位。

埃文斯1981年在重返劍橋大學后和馬特?科夫曼成功地將類似的“EC”細胞與正常的老鼠胚胎進行分離。埃文斯隨后和他的學生們證實，這些后來被之稱為“胚胎干細胞”的細胞可以用來從組織層細胞全面恢復老鼠的生育能力，這些細胞因此可以引發突變或者進行挑選。

埃文斯的這些先驅性研究創造了哺乳動物基因的新路徑，他一直在使用基因陷阱等方法來進行新的發現和治療人類疾病的動物模式的研究。

獲得物理學獎的阿爾貝?費爾

瑞典皇家科學院諾貝爾獎委員會2007年10月9日宣布，將2007年度諾貝爾物理獎授予法國科學家阿爾貝?費爾和德國科學家彼得?格林格爾，以表彰他們發現巨磁電阻效應的貢獻。

阿爾貝?費爾1938年3月7日出生于法國的卡爾卡松。1962年，費爾在巴黎高等師范學院獲數學和物理碩士學位。1970年，費爾從巴黎第十一大學獲物理學博士學位。

阿爾貝?費爾目前為巴黎第十一大學物理學教授。費爾從1970年到1995年一直在巴黎第十一大學固體物理實驗室工作。后任研究小組組長。1995年至今則擔任國家科學研究中心-Thales集團聯合物理小組科學主管。1988年，費爾發現巨磁電阻效應，同時他對自旋電子學作出過許多貢獻。

費爾在獲得諾貝爾獎之前已經取得多種獎項，包括1994年獲美國物理學會頒發的新材料國際獎，1997年獲歐洲物理協會頒發的歐洲物理學大獎，以及2003年獲法國國家科學研究中心金獎。

德國科學家彼得?格林貝格爾1939年5月18日出生。從1959年到1963年，格林貝格爾在法蘭克福的歌德大學學習物理，1962年獲得中級文憑，1969年在達姆施塔特技術大學獲得博士學位。

1988年，格林貝爾在尤利西研究中心研究并發現巨磁電阻效應；1992被任命為科隆大學兼任教授；2004年在研究中心工作32年后退休，但仍在繼續工作。

格林貝格爾在學術方面獲獎頗豐，包括1994年獲美國物理學會頒發的新材料國際獎(與阿爾貝?費爾、帕克林共同獲得)；1998年獲由德國總統頒發的德國未來獎；2007年獲沃爾夫基金獎的物理獎(與阿爾貝?費爾共同獲得)。

獲得化學獎的格哈德?埃特爾

瑞典皇家科學院2007年10月10日宣布，德國科學家格哈德?埃特爾因在表面化學研究領域作出開拓性貢獻而獲得2007年諾貝爾化學獎。

當天恰逢埃特爾的71歲生日。他1936年10月10日生于德國斯圖加特，大學生涯在慕尼黑技術大學度過，并于1965年獲博士學位。

篇11

在科學發展日新月異的今天，大量具有各種不同功能的薄膜得到了廣泛的應用，薄膜作為一種重要的材料在材料領域占據著越來越重要的地位。

自然屆中大地、海洋與大氣之間存在表面，一切有形的實體都為表面所包裹，這是宏觀表面。生物體還存在許多肉眼看不見的微觀表面，如細胞膜和生物膜。生物體生命現象的重要過程就是在這些表面上進行的。細胞膜是由兩層兩親分子--脂雙層膜構成，它好似柵欄，將一些分子攔在細胞內，小分子如氧氣、二氧化碳等，可以毫不費力從膜中穿過。膜脂雙層分子層中間還夾雜著蛋白質，有的像船，可以載分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。細胞膜具有選擇性，不同的離子須走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。細胞膜的這些結構和功能帶來了生命，帶來了神奇。

2膜材料的應用

人們在驚嘆細胞膜奇妙功能的同時，也在試圖模仿它，仿生一直以來就是材料設計的重要手段，這就是薄膜材料。它的一個很重要的應用就是海水的淡化。雖然地球上70％的面積被水覆蓋著，但是人們賴以生存的淡水只占總水量的2.5％～3％，隨著人口增長和工業發展，當今世界幾乎處于水荒之中。因此將浩瀚的海水轉為可以飲用的淡水迫在眉睫。淡化海水的技術主要有反滲透法和蒸餾法,反滲透法用到的是具有選擇性的高分子滲透膜,在膜的一邊給海水施加高壓,使水分子透過滲透膜,達到膜的另一邊,而把各種鹽類離子留下來,就得到了淡水。反滲透法的關鍵就是滲透膜的性能,目前常用有醋酸纖維素類、聚酰胺類、聚苯砜對苯二甲酰胺類等膜材料.這種淡化過程比起蒸法法,是一種清潔高效的綠色方法。

利用膜兩邊的濃度差不僅可以淡化海水,還可以提取多種有機物質。工業生產中，可用膜法過濾含酚、苯胺、有機磺酸鹽等工業廢水，膜法過濾大大節約了成本,有利于我們的生存環境。

膜的應用還體現在表面化學上面。在日常生活中,我們會發現在樹葉表面,水滴總是呈圓形,是因為水不能在葉面鋪展。噴灑農藥時,如果在農藥中加入少量的潤濕劑(一種表面活性劑),農藥就能夠在葉面鋪展,提高殺蟲效果,降低農藥用量。

更重要的，研究人員還將膜材料用于血液透析，透析膜的主要功能是移除體內多余水份和清除尿毒癥毒素，大大降低了腎功能衰竭患者的病死率[1]

3膜材料的分類

近年來,隨著成膜技術的飛速發展,各種材料的薄膜化已經成為一種普遍趨勢。

薄膜材料種類繁多,應用廣泛,目前常用的有：超導薄膜、導電薄膜、電阻薄膜、半導體薄膜、介質薄膜、絕緣薄膜、鈍化與保護薄膜、壓電薄膜、鐵電薄膜、光電薄膜、磁電薄膜、磁光薄膜等。目前很受人們注目的主要有一下幾種薄膜。

3.1金剛石薄膜

金剛石薄膜的禁帶寬，電阻率和熱導率大，載流子遷移率高，介電常數小，擊穿電壓高，是一種性能優異的電子薄膜功能材料，應用前景十分廣闊[2]。

近年來,隨著科技的發展,人們發展了多種金剛石薄膜的制備方法,比如離子束沉積法、磁控濺射法、熱致化學氣相沉積法、等離子化學氣相沉積法等.成功獲得了生長速度快、具有較高質量的膜,從而使金剛石膜具備了商業應用的可能。

金剛石薄膜屬于立方晶系,面心立方晶胞,每個晶胞含有8個C原子,每個C原子采取sp3雜化與周圍4個C原子形成共價鍵,牢固的共價鍵和空間網狀結構是金剛石硬度很高的原因.金剛石薄膜有很多優異的性質：硬度高、耐磨性好、摩擦系數效、化學穩定性高、熱導率高、熱膨脹系數小,是優良的絕緣體。

利用它的高導熱率,可將它直接積在硅材料上成為既散熱又絕緣的薄層,是高頻微波器件、超大規模集成電路最理想的散熱材料。利用它的電阻率大,可以制成高溫工作的二極管,微波振蕩器件和耐高溫高壓的晶體管以及毫米波功率器件等。

金剛石薄膜的許多優良性能有待進一步開拓,我國也將金剛石薄膜納入863新材料專題進行跟蹤研究并取得了很大進展、金剛石薄膜制備的基本原理是:在襯底保持在800~1000℃的溫度范圍內,化學氣相沉積的石墨是熱力學穩定相,而金剛石是熱力學不穩定相,利用原子態氫刻蝕石墨的速率遠大于金剛石的動力學原理,將石墨去除,這樣最終在襯底上沉積的是金剛石薄膜。

3.2鐵電薄膜

鐵電薄膜的制備技術和半導體集成技術的快速發展,推動了鐵電薄膜及其集成器件的實用化。鐵電材料已經應用于鐵電動態隨機存儲器(FDRAM)、鐵電場效應晶體管(FEET)、鐵電隨機存儲器(FFRAM)、IC卡、紅外探測與成像器件、超聲與聲表面波器件以及光電子器件等十分廣闊的領域[3]。鐵電薄膜的制作方法一般采用溶膠-凌膠法、離子束濺射法、磁控濺射法、有機金屬化學蒸汽沉積法、準分子激光燒蝕技術等.已經制成的晶態薄膜有鈮酸鋰、鈮酸鉀、鈦酸鉛、鈦酸鋇、鈦酸鍶、氧化鈮和鋯鈦酸鉛等,以及大量的鐵電陶瓷薄膜材料。

3.3氮化碳薄膜

1985年美國伯克利大學物理系的M.L.Cohen教授以b-Si3N4晶體結構為出發點,預言了一種新的C-N化合物b-C3N4,Cohen計算出b-C3N4是一種晶體結構類似于b-Si3N4,具有非常短的共價鍵結合的C-N化合物,其理論模量為4.27Mbars,接近于金剛石的模量4.43Mbars.隨后,不同的計算方法顯示b-C3N4具有比金剛石還高的硬度,不僅如此,b-C3N4還具有一系列特殊的性質,引起了科學界的高度重視,目前世界上許多著名的研究機構都集中研究這一新型物質.b-C3N4的制備方法只要有激光燒蝕法、濺射法、高壓合成、等離子增強化學氣相沉積、真空電弧沉積、離子注入法等多種方法。在CNx膜的諸多性能中，最吸引人的當屬其可能超過金剛石的硬度，盡管現在還沒有制備出可以直接測量其硬度的CNx晶體，但對CNx膜硬度的研究已有許多報道。

3.4半導體薄膜復合材料

20世紀80年代科學家們研制成功了在絕緣層上形成半導體（如硅）單晶層組成復合薄膜材料的技術。這一新技術的實現，使材料器件的研制一氣呵成，不但大大節省了單晶材料，更重要的是使半導體集成電路達到高速化、高密度化，也提高了可靠性，同時為微電子工業中的三維集成電路的設想提供了實施的可能性。

這類半導體薄膜復合材料，特別使硅薄膜復合材料已開始用于低功耗、低噪聲的大規模集成電路中，以減小誤差，提高電路的抗輻射能力。

3.5超晶格薄膜材料

隨著半導體薄膜層制備技術的提高，當前半導體超晶格材料的種類已由原來的砷化鎵、鎵鋁砷擴展到銦砷、鎵銻、銦鋁砷、銦鎵砷、碲鎘、碲汞、銻鐵、銻錫碲等多種。組成材料的種類也由半導體擴展到鍺、硅等元素半導體，特別是今年來發展起來的硅、鍺硅應變超晶格，由于它可與當前硅的前面工藝相容和集成，格外受到重視，甚至被譽為新一代硅材料。

半導體超晶格結構不僅給材料物理帶來了新面貌，而且促進了新一代半導體器件的產生，除上面提到的可制備高電子遷移率晶體管、高效激光器、紅外探測器外，還能制備調制摻雜的場效應管、先進的雪崩型光電探測器和實空間的電子轉移器件，并正在設計微分負阻效應器件、隧道熱電子效應器件等，它們將被廣泛應用于雷達、電子對抗、空間技術等領域。

3.6多層薄膜材料

多層薄膜材料已成為新材料領域中一支新軍。所謂多層薄膜材料，就是在一層厚度只有鈉米級的材料上，再鋪上一層或多層性質不同的其他薄層材料，最后形成多層固態涂層。由于各層材料的電、磁及化學性質各不相同，多層薄膜材料會用有一些奇異的特性。目前，這種制造工藝簡單的新型材料正受到各國關注，已從實驗室研究進入商業化階段，可以廣泛應用于防腐涂層、燃料電池及生物醫學移植等領域。

1991年，法國特拉斯.博斯卡大學的Decher首先提出由帶正電的聚合物和帶負電的聚合物組成兩層薄膜材料的設想，由于靜電的作用，在一層材料上添加另外一層材料非常容易，此后，多層薄膜的研究工作進展很快。通常，研究人員將帶負電的天然襯材如玻璃片等，浸入含有大分子的帶正電物質的溶液，然后沖洗、干燥，再采用含有帶負電物質的溶液，不斷重復上述過程，每一次產生的薄膜材料厚度僅有幾鈉米或更薄。由于多層薄膜材料的制造可采用重復性工藝，人們可利用機器人來完成，因此這種自動化工藝很容易實現商業化。目前，研究人員已經或即將開發的多層薄膜材料主要有以下幾種：①制造具有珍珠母強度的材料。②新型防腐蝕材料。③可使燃料電池在高溫條件下工作的多層薄膜材料[4]。

4展望

迄今，人們已經設計和開發出了多種不同結構和不同功能的薄膜材料，這些材料在化學分離、化學傳感器、人工細胞、人工臟器、水處理等許多領域具有重要的潛在應用價值，被認為將是21世紀膜科學與技術領域的重要發展方向之一。

參考文獻：

[1]醫療設備信息.2007,(27)8.

篇12

2膜材料的應用

人們在驚嘆細胞膜奇妙功能的同時，也在試圖模仿它，仿生一直以來就是材料設計的重要手段，這就是薄膜材料。它的一個很重要的應用就是海水的淡化。雖然地球上70％的面積被水覆蓋著，但是人們賴以生存的淡水只占總水量的2.5％～3％，隨著人口增長和工業發展，當今世界幾乎處于水荒之中。因此將浩瀚的海水轉為可以飲用的淡水迫在眉睫。淡化海水的技術主要有反滲透法和蒸餾法,反滲透法用到的是具有選擇性的高分子滲透膜,在膜的一邊給海水施加高壓,使水分子透過滲透膜,達到膜的另一邊,而把各種鹽類離子留下來,就得到了淡水。反滲透法的關鍵就是滲透膜的性能,目前常用有醋酸纖維素類、聚酰胺類、聚苯砜對苯二甲酰胺類等膜材料.這種淡化過程比起蒸法法,是一種清潔高效的綠色方法。

利用膜兩邊的濃度差不僅可以淡化海水,還可以提取多種有機物質。工業生產中，可用膜法過濾含酚、苯胺、有機磺酸鹽等工業廢水，膜法過濾大大節約了成本,有利于我們的生存環境。

膜的應用還體現在表面化學上面。在日常生活中,我們會發現在樹葉表面,水滴總是呈圓形,是因為水不能在葉面鋪展。噴灑農藥時,如果在農藥中加入少量的潤濕劑(一種表面活性劑),農藥就能夠在葉面鋪展,提高殺蟲效果,降低農藥用量。

更重要的，研究人員還將膜材料用于血液透析，透析膜的主要功能是移除體內多余水份和清除尿毒癥毒素，大大降低了腎功能衰竭患者的病死率[1]

3膜材料的分類

近年來,隨著成膜技術的飛速發展,各種材料的薄膜化已經成為一種普遍趨勢。

薄膜材料種類繁多,應用廣泛,目前常用的有：超導薄膜、導電薄膜、電阻薄膜、半導體薄膜、介質薄膜、絕緣薄膜、鈍化與保護薄膜、壓電薄膜、鐵電薄膜、光電薄膜、磁電薄膜、磁光薄膜等。目前很受人們注目的主要有一下幾種薄膜。

3.1金剛石薄膜

金剛石薄膜的禁帶寬，電阻率和熱導率大，載流子遷移率高，介電常數小，擊穿電壓高，是一種性能優異的電子薄膜功能材料，應用前景十分廣闊[2]。

近年來,隨著科技的發展,人們發展了多種金剛石薄膜的制備方法,比如離子束沉積法、磁控濺射法、熱致化學氣相沉積法、等離子化學氣相沉積法等.成功獲得了生長速度快、具有較高質量的膜,從而使金剛石膜具備了商業應用的可能。

金剛石薄膜屬于立方晶系,面心立方晶胞,每個晶胞含有8個C原子,每個C原子采取sp3雜化與周圍4個C原子形成共價鍵,牢固的共價鍵和空間網狀結構是金剛石硬度很高的原因.金剛石薄膜有很多優異的性質：硬度高、耐磨性好、摩擦系數效、化學穩定性高、熱導率高、熱膨脹系數小,是優良的絕緣體。

利用它的高導熱率,可將它直接積在硅材料上成為既散熱又絕緣的薄層,是高頻微波器件、超大規模集成電路最理想的散熱材料。利用它的電阻率大,可以制成高溫工作的二極管,微波振蕩器件和耐高溫高壓的晶體管以及毫米波功率器件等。

金剛石薄膜的許多優良性能有待進一步開拓,我國也將金剛石薄膜納入863新材料專題進行跟蹤研究并取得了很大進展、金剛石薄膜制備的基本原理是:在襯底保持在800~1000℃的溫度范圍內,化學氣相沉積的石墨是熱力學穩定相,而金剛石是熱力學不穩定相,利用原子態氫刻蝕石墨的速率遠大于金剛石的動力學原理,將石墨去除,這樣最終在襯底上沉積的是金剛石薄膜。

3.2鐵電薄膜

鐵電薄膜的制備技術和半導體集成技術的快速發展,推動了鐵電薄膜及其集成器件的實用化。鐵電材料已經應用于鐵電動態隨機存儲器(FDRAM)、鐵電場效應晶體管(FEET)、鐵電隨機存儲器(FFRAM)、IC卡、紅外探測與成像器件、超聲與聲表面波器件以及光電子器件等十分廣闊的領域[3]。鐵電薄膜的制作方法一般采用溶膠-凌膠法、離子束濺射法、磁控濺射法、有機金屬化學蒸汽沉積法、準分子激光燒蝕技術等.已經制成的晶態薄膜有鈮酸鋰、鈮酸鉀、鈦酸鉛、鈦酸鋇、鈦酸鍶、氧化鈮和鋯鈦酸鉛等,以及大量的鐵電陶瓷薄膜材料。

3.3氮化碳薄膜

1985年美國伯克利大學物理系的M.L.Cohen教授以b-Si3N4晶體結構為出發點,預言了一種新的C-N化合物b-C3N4,Cohen計算出b-C3N4是一種晶體結構類似于b-Si3N4,具有非常短的共價鍵結合的C-N化合物,其理論模量為4.27Mbars,接近于金剛石的模量4.43Mbars.隨后,不同的計算方法顯示b-C3N4具有比金剛石還高的硬度,不僅如此,b-C3N4還具有一系列特殊的性質,引起了科學界的高度重視,目前世界上許多著名的研究機構都集中研究這一新型物質.

b-C3N4的制備方法只要有激光燒蝕法、濺射法、高壓合成、等離子增強化學氣相沉積、真空電弧沉積、離子注入法等多種方法。在CNx膜的諸多性能中，最吸引人的當屬其可能超過金剛石的硬度，盡管現在還沒有制備出可以直接測量其硬度的CNx晶體，但對CNx膜硬度的研究已有許多報道。

3.4半導體薄膜復合材料

20世紀80年代科學家們研制成功了在絕緣層上形成半導體（如硅）單晶層組成復合薄膜材料的技術。這一新技術的實現，使材料器件的研制一氣呵成，不但大大節省了單晶材料，更重要的是使半導體集成電路達到高速化、高密度化，也提高了可靠性，同時為微電子工業中的三維集成電路的設想提供了實施的可能性。

這類半導體薄膜復合材料，特別使硅薄膜復合材料已開始用于低功耗、低噪聲的大規模集成電路中，以減小誤差，提高電路的抗輻射能力。

3.5超晶格薄膜材料

隨著半導體薄膜層制備技術的提高，當前半導體超晶格材料的種類已由原來的砷化鎵、鎵鋁砷擴展到銦砷、鎵銻、銦鋁砷、銦鎵砷、碲鎘、碲汞、銻鐵、銻錫碲等多種。組成材料的種類也由半導體擴展到鍺、硅等元素半導體，特別是今年來發展起來的硅、鍺硅應變超晶格，由于它可與當前硅的前面工藝相容和集成，格外受到重視，甚至被譽為新一代硅材料。

半導體超晶格結構不僅給材料物理帶來了新面貌，而且促進了新一代半導體器件的產生，除上面提到的可制備高電子遷移率晶體管、高效激光器、紅外探測器外，還能制備調制摻雜的場效應管、先進的雪崩型光電探測器和實空間的電子轉移器件，并正在設計微分負阻效應器件、隧道熱電子效應器件等，它們將被廣泛應用于雷達、電子對抗、空間技術等領域。

3.6多層薄膜材料

多層薄膜材料已成為新材料領域中一支新軍。所謂多層薄膜材料，就是在一層厚度只有鈉米級的材料上，再鋪上一層或多層性質不同的其他薄層材料，最后形成多層固態涂層。由于各層材料的電、磁及化學性質各不相同，多層薄膜材料會用有一些奇異的特性。目前，這種制造工藝簡單的新型材料正受到各國關注，已從實驗室研究進入商業化階段，可以廣泛應用于防腐涂層、燃料電池及生物醫學移植等領域。

1991年，法國特拉斯.博斯卡大學的Decher首先提出由帶正電的聚合物和帶負電的聚合物組成兩層薄膜材料的設想，由于靜電的作用，在一層材料上添加另外一層材料非常容易，此后，多層薄膜的研究工作進展很快。通常，研究人員將帶負電的天然襯材如玻璃片等，浸入含有大分子的帶正電物質的溶液，然后沖洗、干燥，再采用含有帶負電物質的溶液，不斷重復上述過程，每一次產生的薄膜材料厚度僅有幾鈉米或更薄。由于多層薄膜材料的制造可采用重復性工藝，人們可利用機器人來完成，因此這種自動化工藝很容易實現商業化。目前，研究人員已經或即將開發的多層薄膜材料主要有以下幾種：①制造具有珍珠母強度的材料。②新型防腐蝕材料。③可使燃料電池在高溫條件下工作的多層薄膜材料[4]。

4展望

篇13

20世紀20年代~50年代，德國學者W.Osywald從分類學的角度提出了以機械方式誘發化學反應的學科―機械力化學（mechanochemisty）。1962年奧地利學者K.Peters在第一屆歐洲粉碎會議上首次發表了題為《機械力化學反應》的論文，把機械力化學定義為：“物質受機械力的作用而發生化學變化或者物理化學變化的現象”。如今，機械力化學被認為是關于施加于固體、液體和氣體物質上的各種形式的機械能―如壓縮、剪切、沖擊、摩擦、拉伸、彎曲等引起的物質物理化學性質變化等一系列的化學現象。如研磨HgCl2時觀察到少量Cl2逸出，粉碎碳酸鹽時有二氧化碳氣體產生，石膏細磨時脫水，石英受沖擊后無定形化等，這些都是典型的機械力化學反應。

1 機械力化學效應

機械力化學效應是通過對物質施加機械力而引起物質發生結構及物理化學性質變化的過程。在機械力的不斷作用下，起始階段主要是物質顆粒尺寸的減小和比表面積的增大，但是達到一定程度后，由于小顆粒的聚集而出現粉磨平衡，但并不意味著粉磨過程中粉體的性質不變，事實上它會發生諸多的機械力化學效應。

1．1 晶體結構的變化

在超細粉碎過程中，隨著機械力的持續作用，礦物的晶體結構和性質會發生多種變化，如顆粒表面層離子的極化變形與重排，使粉體表面結構產生晶格缺陷、晶格畸變、晶型轉變、結晶程度降低甚至無定形化等。例如

γ-Fe2O3α-Fe2O3

石英 硅石

晶型轉變是壓力和剪切力共同作用的結果。它使物質不斷吸收和積累能量，提供了晶型轉變所需的熱力學條件，產生晶格形變和缺陷，使之向產物結構轉變。

1．2 物質物理化學性質的變化

機械力作用引起物質顆粒細化、產生裂紋、比表面積增加等。這些變化最終會引起物質的分散度、溶解度、溶解速率、密度、吸附性、導電性、催化性、燒結性、離子交換能力和置換能力、表面自由能等理化性質的改變。如粘土礦物經過超細磨后，可產生具有非飽和剩余電荷的活性點，導致高嶺土的離子交換容量、吸附量、膨脹指數、溶解度、反應能力等都發生了變化。

1．3 機械力化學反應

機械力的作用可引起物質化學鍵的斷裂，生成不飽和基團、自由離子和電子，產生新的表面，造成晶格缺陷，使物質內能增高，處于一種不穩定的化學活性狀態，并使許多在常壓、室溫條件下不能發生的反應成為可能。根據原料的狀態可以將反應體系劃分為固-固、固-液、固-氣三大類。

1．3．1 固-固反應體系

固-固反應體系可以分為以下幾種類型

（1）金屬與金屬氧化物、氯化物之間的固態化學反應。

Me+Me'O(Cl、S)MeO(Cl、S)+ Me'

已研究過的反應體系有：Ag2O/Al，Cr2O3/Zn，ZnS/Al，NiCl2/Mg等。

（2）金屬與C、Si、B之間的化學反應，生成高溫化合物相。

Me+XMeX

（3）金屬與陶瓷之間的化學反應。

Me+X1X2MeX1+MeX2

如Ti+Si3N4TiN+TiSi2

（4）金屬氧化物之間的化合反應。

MeO+Me'O MeMe'O

如Fe2O3+MeOMeFe2O3（Me=Zn、Ni、Cu、Mg等）

（5）純金屬間的放熱化學反應。如Al/Ni、Al/Ti等反應體系。

（6）化合物之間的固態化學反應。如

ZrCl4+2CaOZrO2+2CaCl2

1．3．2 固-液反應體系

如NiS+H2O=NiO+H2S

固-液反應系統主要是金屬與有機溶劑之間的化學反應。液相反應劑一般是含碳或含氮有機物，如庚烷、苯胺等，通過反應可以生成金屬碳化物或氮化物粒子。

1．3．3 固-氣反應體系

如3SiO2+4N22α-Si3N4+3O2

固-氣反應僅適合于活性高、氮化或碳化反應焓很高的體系。一般可選擇氮氣、分解氨、氨氣作為氮源。

2 機械力化學的作用機理

機械力化學反應歷程可由圖1表示

從圖中可看到：無機械力作用時，反應只以很小的速度進行，引入機械作用后，反應迅速增強并隨后達到穩態，停止機械作用后，反應速度迅速下降。影響機械力化學反應歷程的因素很多，各種因素間的相互作用，加之研究手段不全面，關于機械力化學的機理尚沒有一個統一的界定，目前主要有以下幾種理論。

（1）等離子體模型。Thiessen等認為，機械力作用導致晶格松弛與結構裂解，激發出高能電子和等離子區。一般的熱化學反應溫度在高于1000℃時，電子能量也不會超過4eV，即使光化學的紫外電子的能量也不會超過6eV。而機械力作用下，高激發狀態誘發的等離子體產生的電子能量可超過10eV，因此機械力化學有可能進行通常情況下熱化學所不能進行的反應，使固體物質的熱化學反應溫度降低，反應速度加快。

（2）固態合成反應模型。席生岐等從擴散理論出發，分析了高能球磨過程中的擴散特點，提出了固態合成反應模型并進行分析計算，結果表明：高能球磨過程中固態反應能否進行，取決于體系在球磨過程中能量升高的程度，而反應完成與否受體系中的擴散過程控制，即受制于晶粒細化程度和粉末碰撞溫度。一方面由于顆粒在超細磨過程中，被強烈塑性變形，產生應力和應變，顆粒內產生晶格缺陷和晶形轉變、非晶化，能顯著降低元素的擴散激活能, 使得組元間在室溫下可顯著進行原子或離子擴散，顆粒不斷冷焊、斷裂、組織細化，形成了無數的擴散-反應偶；另一方面，因顆粒表面化學鍵斷裂而產生不飽和鍵、自由離子和電子等原因，導致晶體內能增高，物質內部迅速發展的裂紋使其頂端溫度和壓力增高，最終導致物質反應的平衡常數和反應速度常數顯著增大。應力、應變、缺陷和大量納米晶界、相界的產生使系統儲能很高，提高了粉末活性，從而有可能引起納米尺寸下的固相反應，有時甚至可以誘發多相化學反應。

（3）熱點理論。機械力作用在固體顆粒上造成的彈性應力是機械力化學效應的重要因素，彈性應力能引起原子水平的應力集中，一般由此而改變原子間的結合常數，從而改變它們本來的振動頻率，也改變了原子間距和價鍵角度，結果改變了化學結合能，使反應能力增大。彈性應力還可引發馳豫，由此形成激化的振動狀態可導致化學反應的發生，這種能量在應力點以“熱點”的形式出現。雖然宏觀溫度一般不會超過60℃，但局部碰撞點的溫度要遠高于60℃，這樣的溫度將引起納米尺寸的化學反應，在碰撞點處產生極高的碰撞力，高達3.30GPa~6.18GPa，如此高的碰撞力有助于晶體缺陷和畸變的擴散以及原子的重排，所以局部碰撞點的升溫可能是導致機械力化學反應的一個促進因素。

3機械力化學效應的應用

3．1礦物活化與改性

礦物機械活化是指機械作用使礦物局部形成晶格畸變，發生位錯，使晶格點陣中粒子排列部分失去周期性，形成晶格缺陷，導致晶格內能增高，表面改性、反應活性增強，以便于礦物浮選富集和提取，從而改善浸出過程。如細磨使銅、鉛與鋅的分選效率顯著提高；氟磷灰石 Ca5F(PO4)3 經機械活化后，氟雜質與混入的SiO2發生機械力化學反應，約有80%的氟以 SiF4 的形式揮發掉，在檸檬酸溶液中的溶解率達到85%，這種脫氟的磷礦石可用作優質的化學肥料。球磨CuFeS2和CuO混合物可形成CuSO4，只要經過水洗，就可以將礦物中的純銅分離出來。

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機械力化學改性則采用攪拌、沖擊、研磨等機械作用使改性劑在被改性的顆粒表面均勻分布包覆，并使顆粒與改性劑之間發生化學作用，以增加它們之間的結合力，從而改變礦物粉體顆粒的表面狀態，達到改性的目的。吳輝等以氣流磨所產生的超音速氣流作為機械力，對硅酸鹽礦物硅灰石與硬脂酸進行超細粉碎表面改性。當硅灰石粉碎時,晶體裂開并發生如下變化

2Ca3[Si3O9] Ca3[Si3O9]++Ca3[Si3O9]-

而硬脂酸在粉碎過程中則發生如下變化

CH3(CH2)16COOHCH3(CH2)16COO-

+H+

由于硅灰石與硬脂酸的粉碎、斷鍵是在同一時間同一粉碎腔內進行的，故可能發生如下反應

Ca3[Si3O9]++CH3(CH2)16COO-CH3(CH2)16COOCa3[Si3O9]

經改性后的硅灰石由親水性變為疏水性，把它添加到高分子材料中，增加礦物與有機高分子材料的相容性，提高礦物粉料在高分子材料中的分散程度，改善工藝加工條件和制品的性能。

3．2 合成納米材料

機械力化學法制備納米材料可采用常用的化學原料，具有工藝簡單、成本低、易于工業化等特點，是一種具有廣闊應用前景的納米材料制備方法。

如鈦酸鋇陶瓷具有良好的介電性能，是電子陶瓷領域應用最為廣泛的材料之一。傳統的鈦酸鋇合成方法是用BaO或BaCO3和TiO2經高溫灼燒（≥900℃）而成， 粒度大、不均勻，難以制備納米粉體材料。吳其勝等采用高能球磨BaO，銳鈦礦型TiO2混合粉體（在氮氣保護下），機械力化學法合成了納米晶BaTiO3，反應式為

BaO+TiO2BaTiO3

反應過程分三個階段進行：粉磨初期為無定形形成期（0h~15h），混合物顆粒粒度減小，晶格畸變，轉變為無定形，并可能形成BaTiO3晶核；粉磨中期為固相反應期（15h~30h）， BaO與TiO2在機械力作用下產生固相反應生成BaTiO3，同時BaTiO3晶粒長大；粉磨后期為動態平衡期（30h以后），此時，固相反應基本結束，晶粒成長與粉磨引起的晶粒減小處于動態平衡，由此得到顆粒尺寸為10nm~30nm的BaTiO3。

采用球磨金屬氯化物和Na、Mg等還原劑的方法可制備純金屬納米材料和合金納米材料，已制得的體系有Fe、Ni、Co、Cu和Fe-Cu合金。

近幾年來，把金屬與陶瓷(如納米氧化物、碳化物等)通過機械力復合在一起，已獲得具有特殊性質的新型納米復合材料。Nicholas 等采用機械力化學原理制備Al2O3基TiC、TiN等納米復合材料，反應式分別如下

1.5TiO2+2Al+1.5C1.5TiC+Al2O3

1.5TiO2+2Al+0.75N21.5TiN+Al2O3

制得的復合粉末經1000℃退火1h、熱壓成型制備納米復合材料，其硬度達19GPa~30GPa，Al2O3晶粒尺寸為30nm~50nm，鈦相為25nm~50nm。

3．3 合成高分子材料

機械力化學在有機高分子合成中的應用主要有3個方面：高分子聚合、高分子縮合及無機材料表面接枝高分子聚合物。

（1）高分子聚合。機械力化學在高分子聚合中可代替引發劑引發聚合反應。一般的高分子聚合中往往要加入引發劑，作用是在外因作用下首先發生分解或氧化還原產生自由基或正負離子，引發單體聚合。Oprea等用實驗證實不用任何引發劑或催化劑，就可以用振動磨將丙烯腈單體制得聚丙烯腈高聚物。主要原因是在機械力及單體的腐蝕作用下，設備表面的金屬產生活化作用并產生金屬細末，參與聚合物的合成；另一方面金屬活化過程中產生激發電子，使得已被振動磨部分活化的聚丙烯腈生成自由基和負離子，可引發其他丙烯腈高分子的聚合。

（2）高分子縮合。高聚物在機械力作用下，鍵可發生斷裂，生成大分子自由基，這時若遇合適的小分子，可發生高分子縮聚。Christofor Simionescu等用超聲波使聚對苯二甲酸乙二酯和乙二胺通過機械力化學縮聚形成聚酯-聚酰胺碎片，然后與三價V3+作用，形成以三價釩為中心的復合物。

（3）高聚物接枝。現代新技術的發展對高分子材料提出了更高的要求，如耐高溫、導熱導電、防輻射、具有鐵磁性等，解決這一問題的方法之一就是在高分子中引入無機物。把無機材料和高聚物一起研磨，通過機械力化學作用，高分子聚合物可發生裂解、環化、離子化、異構化等化學變化，無機材料表面產生晶格畸變和缺陷，表面自由能增大，引起化合鍵斷裂和重組，可以在新鮮斷裂表面出現不飽和鍵和帶正電和負電的結構單元，這樣聚合物鏈鍵斷裂產生的游離基或正負離子遇到無機材料經機械力活化產生的新鮮表面，就可能形成接枝高聚物。

無機材料的高聚物接枝改性方法有兩種：一種是將無機材料與聚苯乙烯、聚丙烯等高聚物一起研磨；一種是將無機材料與單體研磨共聚，如在苯乙烯單體中研磨碳酸鈣。這兩種方法都能得到疏水性極好的無機粉體，在涂料與塑料工業中得到廣泛應用，效果良好。

3．4有毒廢物降解

采用機械力化學方法處理有毒廢物，有可能開發出在常溫、常壓下處理劇毒物的新方法，使有毒廢棄物能就地得到及時有效處理，避免其長期堆放污染環境。如難處理的有機氯合物，如PVC、多氯聯苯、DDT等。機械力化學法不僅可破壞它們的結構，還可誘發它們和CaO或其他合適的反應劑之間的化學反應，形成無毒的無機氯化物。許多塑料制品經機械力化學處理后，發生機械力化學分解，聚合度可下降80%。通過高能量機械力的作用還可破壞蛋白質的高分子結構，從而使它能從廢液中較快地沉降下來，便于焚燒處理。用機械力化學法處理含鎘廢水可使鎘的還原速率加快數倍。

4 展望

機械力化學理論的提出已有數十年時間了，但由于實驗條件的不可比性，使得難以歸納總結上升到更高的理論層次；另外，人們的工作多限于針對某一現象或某一應用課題的研究，卻少有關于各種機械力化學現象背后普遍規律的探討；機械力化學法通常需要長時間的機械處理，能量消耗大，研磨介質的磨損，還會造成對物料的污染。因此，設計新的高效機械活化設備，以最小的能耗獲得最大活化效果也是值得研究的課題。可以預見，隨著研究的深入，機械力化學將具有廣闊的工業應用前景。

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