近代化學(xué)的突破和化學(xué)發(fā)展的前沿科普-資料下載頁
2025-01-08 12:18本頁面
【正文】 更加重視國家目標，更加重視不同學(xué)科之間的交叉融合 2. 理論和實驗更加緊密結(jié)合 3. 在研究方法和手段上，更加重視尺度效應(yīng) 4. 合成化學(xué)的新方法層出不窮 5. 分析化學(xué)已發(fā)展成為分析科學(xué) 發(fā)展趨勢和主要問題舉例 ? 21世紀化學(xué)的四大難題 1. 化學(xué)的第一根本定律 —— 化學(xué)反應(yīng)理論和定律 2. 化學(xué)的第二根本定律 —— 結(jié)構(gòu)和性能的定量關(guān)系 3. 納米尺度的基本規(guī)律 4. 活化分子運動的基本規(guī)律 發(fā)展趨勢和主要問題舉例 ? 20世紀化學(xué)的四大盲點 1. 無機化學(xué)中共價鍵概念被忽視 2. 化學(xué)文獻和數(shù)據(jù)的積累非常迅速，但利用這一文獻寶庫來總結(jié)規(guī)律的工作相對滯后 3. 分子周期律 發(fā)展趨勢和主要問題舉例 ? 21世紀化學(xué)的 11個突破口 1. 新的合成方法學(xué) 2. 納米化學(xué)、耐米材料和分子器件，納米表面化學(xué)、高效納米催化劑設(shè)計合成及應(yīng)用 3. 稀土化學(xué) 4. 能源科學(xué)中的化學(xué)問題 5. 生命和醫(yī)藥科學(xué)中的化學(xué)問題 6. 生態(tài)環(huán)境科學(xué)中的化學(xué)問題 7. 信息科學(xué)中的化學(xué)問題 8. 分析化學(xué)的十化“微型與芯片化、仿生化、在線化、實時化、原位化、在體化、智能與信息化、高靈敏化、高選擇性化、單原子化和單分子化” 9. 化工化學(xué)復(fù)雜體系中的多層次、多尺度效應(yīng)及其規(guī)律和方法學(xué)研究 10. 理論化學(xué)和計算化學(xué)的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究 11. 化學(xué)信息學(xué) 發(fā)展趨勢和主要問題舉例 ? 分析科學(xué) ? 20世紀 80年代，曼徹斯特大學(xué)和利物浦大學(xué)首先提出了“分析科學(xué)”的概念。 ? 由于計算機科學(xué)和其他學(xué)科的引入使得分析化學(xué)取得了質(zhì)的飛躍，并且在生命、環(huán)境、材料科學(xué)中的重要性日益加強。 ? 新的原理和方法、儀器制造和改進、應(yīng)用領(lǐng)域及其重要性的擴大使得分析化學(xué)脫離化學(xué)二級學(xué)科的地位成為一門獨立的“分析科學(xué)”。 ? 準確度和靈敏度的提高、更好的精密度和選擇性、更低的基體干擾和檢測限 …… 這些目標的追求已達到極限。必須建立新的檢測原理、改進相關(guān)的儀器和技術(shù)。 ? 目前雖然已經(jīng)報道實現(xiàn)了單原子 /單分子檢測，但是距離實用化還非常遙遠。 ? 主要研究方向： 1. 微全分析系統(tǒng) 2. 生物芯片（真正做到原位 Insitu、活體 Invivo、實時 Realtime檢測，要比目前實現(xiàn)的在線 Online困難的多，其應(yīng)用范圍也更大） 3. 傳感器（如遙測特殊環(huán)境） 4. 計算機技術(shù)在分析科學(xué)中應(yīng)用 發(fā)展趨勢和主要問題舉例 ? 合成化學(xué) ? 化學(xué)的三個基本武器： 1. 用分析手段測定物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu) 2. 用合成手段制造物質(zhì) 3. 用對于化學(xué)過程的認識去控制化學(xué)過程 ? 合成化學(xué)家過分的孤芳自賞、注重高超的合成技巧、追求復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)的細節(jié)，而很少顧及其他學(xué)科，最終使得自己陷于孤立。 ? 學(xué)科的交叉融合越來越模糊了界限，形成了大科學(xué)模式，必須走出純化學(xué)的模式才能有生存的空間，努力去迎接其他學(xué)科對化學(xué)提出的挑戰(zhàn)，才能重塑化學(xué)的地位和形象。 ? 主要方向： 1. 定向合成和高選擇性合成方法學(xué)的研究 2. 綠色合成（原子經(jīng)濟性、環(huán)境友好性） 3. 極端條件和溫和條件下的合成 4. 具有特定功能、特殊結(jié)構(gòu)的分子的合成和分子聚集體的組裝 5. 基礎(chǔ)理論和計算機應(yīng)用 發(fā)展趨勢和主要問題舉例 ? 化工過程中的多尺度效應(yīng) ? 見下圖 ? 化學(xué)關(guān)注原子 /分子層次上的相互轉(zhuǎn)化以及熱力學(xué) /動力學(xué)上的可行性，但對工廠要真正實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化得到符合人們要求的產(chǎn)品卻復(fù)雜的多。 ? 化工過程的現(xiàn)象和過程都是非均勻的、非線性的、多尺度的。 ? 許多復(fù)雜現(xiàn)象發(fā)生在若干個主要的特征尺度上，對過程起控制作用的各種機制也只在某些特征尺度上發(fā)生作用。 ? 簡略的可以分為四個過程和六個尺度，分別研究其內(nèi)在規(guī)律；多尺度系統(tǒng)的突出特征是存在結(jié)構(gòu)、尺度的變化，意味著結(jié)構(gòu)的變化，從而引起行為過程的劇變，這是放大效應(yīng)的內(nèi)在機制。 ? 解決放大效應(yīng)的前沿方向是利用當代非線性科學(xué)的知識進行多尺度分析 。 ? 其他前沿發(fā)展方向 1. 化學(xué)反應(yīng) 催化劑 反應(yīng)器， 2. 非傳統(tǒng)反應(yīng)工程（超臨界反應(yīng)工程、反應(yīng) 分離過程集成、人為非定態(tài)反應(yīng)工程）、 3. 生化反應(yīng)工程、 4. 綠色化學(xué)工程 過程 /尺度 分子 微米 /納米 單元（顆粒、液滴、氣泡） 聚團 設(shè)備 工廠 反應(yīng) 微觀反應(yīng) 微孔微隙中的反應(yīng) 單顆粒反應(yīng)動力學(xué) 非均勻結(jié)構(gòu)中的反應(yīng) 提高轉(zhuǎn)化率和選擇性 分相 分子碰撞、漲落、成核 團、簇 氣泡、液滴、顆粒的形成 團聚和合并過程 多態(tài)行為和突變 產(chǎn)品分離 傳遞 分子碰撞 微孔微隙中的物質(zhì)交換 單元與周圍物質(zhì)的交換 非均勻結(jié)構(gòu)中的傳遞 返混、擴散、分級 熱質(zhì)轉(zhuǎn)移 流動 小尺度流動 線流 局部非均勻結(jié)構(gòu) 徑向和軸向非均勻分布 物料傳遞
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