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出版者:化学工业出版社

作者:张礼和

出品人:

页数:430

译者:

出版时间:2005-8

价格:65.00元

装帧:精裝本

isbn号码:9787502573669

丛书系列:

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• 综述

深入探索材料科学的边界：《新材料的革命与未来》 本书导言： 我们正处在一个由材料驱动的时代。从微观的量子器件到宏大的基础设施建设，新材料的突破性进展如同催化剂一般，以前所未有的速度推动着人类社会的进步。本书《新材料的革命与未来》并非对现有化学学科的常规综述，而是聚焦于前沿、跨学科、颠覆性的新材料的发现、合成、表征及其在未来技术中的应用潜力。我们旨在为材料科学家、工程师、研究生以及所有对未来技术充满好奇的读者，提供一个深入且富有洞察力的视角，理解当代材料科学如何重塑世界。 第一部分：突破性的微观调控——原子尺度的精准工程 本部分将着重探讨如何以近乎完美的精度控制物质的结构，从而赋予材料全新的、甚至反直觉的性能。 第一章：二维材料的深层潜力与异质结的构筑艺术 石墨烯、过渡金属硫化物（TMDs）等二维（2D）材料因其极高的比表面积、独特的电子结构和出色的机械强度而备受瞩目。本章超越了对石墨烯导电性的简单描述，深入分析了单层材料的狄拉克锥的物理机制，以及如何通过范德华力（van der Waals force）精确堆叠不同类型的2D晶体，形成扭曲电子学（Twisted Electronics）中的魔角石墨烯（Magic-Angle Graphene, MAG）。我们将详细阐述MAG中出现的超导性、莫特绝缘态等奇异量子现象，并讨论如何利用这些特性设计下一代超低功耗晶体管和量子比特。此外，还将深入探讨垂直与侧向异质结的精确合成技术，例如，如何通过化学气相沉积（CVD）或原子层沉积（ALD）控制界面缺陷密度，以优化光电器件的载流子分离效率。 第二章：拓扑材料与“无损耗”的电子传输 拓扑材料，如拓扑绝缘体和拓扑半金属，是凝聚态物理研究的焦点。它们的核心特性在于其表面或边缘态具有拓扑保护，这意味着电子在这些通道中传输时，几乎不受杂质或形变的影响。本章将系统梳理时间反演对称性和空间反演对称性在拓扑分类中的作用，重点介绍狄拉克（Dirac）和外尔（Weyl）半金属的能带结构。我们将通过实例，如Bi$_{2}$Se$_{3}$和TaAs，解释其表面态如何用于实现高效的自旋电子学器件，并探讨如何利用手性异常效应来提升高频电子元件的性能。对于读者而言，理解拓扑材料的关键在于领会“保护”的物理含义及其对器件稳定性的深远影响。 第二章补充：量子点与纳米晶体的尺寸量子效应 本节聚焦于纳米尺度下，材料的光谱性质如何依赖于其几何尺寸。我们将探讨量子限制效应（Quantum Confinement Effect）的数学模型，并对比不同合成方法（如高温溶液法、微乳液法）对量子点尺寸分布和表面钝化的影响。重点将放在钙钛矿量子点（PQDs）在显示技术（QLED）中的应用，分析其高色纯度背后的机制，并探讨稳定性和重金属替代方案（如InP基点）的挑战。 第二部分：功能化与智能响应——从被动到主动的材料设计 本部分关注那些能够感知环境变化并作出可预测响应的“活的”或“智能”材料系统。 第三章：高熵合金（HEAs）与极端环境下的结构韧性 传统合金设计依赖于少数主元，而高熵合金则通过在晶格中随机分布五种或更多等原子比或近等原子比的元素来实现。本章解析了HEAs中高熵效应、迟滞效应、高偏析能等四大效应如何共同作用，使得材料在极高温度、强辐照或高应力下仍能保持优异的蠕变抗性和断裂韧性。我们将分析不同晶体结构（FCC, BCC, Laves相等）对机械性能的决定性影响，并展示其在航空航天发动机部件和核反应堆结构材料中的前沿应用案例。本书拒绝仅仅列举已有的HEAs配方，而是着重于基于第一性原理计算的性能预测和机器学习辅助的成分筛选方法。 第四章：动态共价网络与自修复材料的生命周期管理 “永不损坏”的材料是工程界的终极梦想。本章探讨了基于可逆化学键（如Diels-Alder反应、动态硫醚键、氢键网络）构建的动态共价网络（DCNs）。我们将详细分析热激活、光照触发或溶剂诱导的键合与断裂过程，解释材料如何实现宏观尺度的自修复能力，以及这种能力如何体现在聚合物基复合材料的损伤抑制上。讨论的重点将是修复效率的量化评估标准（如损伤区域的强度恢复百分比）以及实现多重修复周期的设计策略，这超越了传统的热固性树脂材料的局限。 第四章补充：刺激响应性水凝胶与生物电子界面 聚焦于用于药物递送和生物传感的水凝胶。我们将详细考察pH值、温度（如PNIPAM的LCST行为）、特定离子浓度或酶活性如何作为触发器，导致凝胶的溶胀/收缩相变。重点在于如何通过交联密度梯度和组分梯度设计来控制药物的零阶或脉冲式释放曲线，以及如何利用导电水凝胶（如PEDOT:PSS掺杂）实现柔性生物电子设备与神经组织的无缝接口。 第三部分：能源转化与储存的前沿材料科学 本部分关注如何利用新材料从根本上提高能源系统的效率和可持续性。 第五章：钙钛矿太阳能电池的稳定化挑战与界面工程 尽管有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）的光电转换效率（PCE）已接近甚至超越传统硅电池，但其在湿热环境下的稳定性依然是商业化的主要障碍。本章将深入剖析离子迁移机制（如碘离子迁移导致的迟滞效应）和缺陷钝化策略。我们将讨论二维表面修饰层（如长链有机胺）如何有效阻挡水汽侵入，以及如何通过引入双阳离子或三阳离子体系来拓宽吸收光谱和提高晶体稳定性。重点在于分析界面处的肖特基势垒的形成与调控，以期达到超长使用寿命的目标。 第六章：固态电解质与下一代锂电池的安全性革命 锂离子电池的快速发展受限于液态有机电解质的易燃性和较低的电化学窗口。本章将全面比较聚合物固态电解质（如PEO基）、氧化物固体电解质（如LLZO）和硫化物固体电解质（如LGPS）。核心内容在于阐述固态电解质中锂枝晶的成核与生长动力学，以及如何通过优化固态电解质/电极界面阻抗（特别是固-固界面的接触质量）来实现高倍率充放电性能。我们将探讨利用原位表征技术（如原位X射线衍射）监测锂沉积状态的方法。 结论：材料科学的未来图景 本书最后展望了材料科学与其他学科的深度融合趋势，特别是量子计算、生物制造和环境修复领域的新材料需求。我们强调，未来的材料发现将不再是随机的试错过程，而是依赖于高通量计算、数据驱动的材料基因组计划（Materials Genome Initiative）以及自动化机器人合成平台的协同作用。 本书特色： 深度与广度兼具： 覆盖了凝聚态物理、化学合成、结构工程、生物物理等多个学科前沿。 面向应用： 每一项基础研究的讨论都紧密联系其潜在的工程应用和产业化瓶颈。 批判性分析： 不仅介绍成功案例，更着重分析当前材料体系的内在局限性与亟待解决的基础科学难题。 《新材料的革命与未来》致力于提供一个对材料世界全面而深刻的认知框架，为推动下一轮技术飞跃做好知识储备。

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这本书的叙述视角非常独特，仿佛一位经验丰富的老教授在与学生们进行深入的研讨会。它没有那种教科书式的刻板说教，而是充满了对化学前沿问题的真知灼见。我特别欣赏作者在探讨有机合成中的立体选择性控制时，那种庖丁解牛般的精细分析。他不仅仅罗列了已有的方法和机制，更是深入剖析了不同催化剂体系在不同底物上的适用性与局限性，甚至对未来可能突破的方向也给出了富有洞察力的预测。阅读过程中，我多次停下来，不是因为理解困难，而是因为被其严谨的逻辑和深刻的见解所折服，需要时间来消化和反思。尤其是在高分子化学部分，关于新型功能性聚合物的设计理念，简直是为材料科学家打开了一扇新的窗户，那种从分子层面出发构建宏观性能的思路，令人茅塞顿开。这本书对于想要从基础知识迈向专业研究领域的化学工作者而言，无疑是一份不可多得的宝藏，它引导的不是知识的堆砌，而是思维的升级。

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这本书给我带来的冲击主要来自于其对交叉学科领域的前瞻性洞察。它绝非安于现状地总结已有的研究成果，而是大胆地将化学的视角投向了生物学、信息科学乃至能源工程的交叉点。例如，关于“智能响应型材料”的章节，作者不仅详细介绍了响应机理，更深入探讨了如何通过化学合成策略来调控这些材料的反馈速度和选择性，并结合了实际应用场景——从药物靶向递送系统的构建到新型传感器件的开发——进行了一系列令人信服的论述。这种宏观视野的开阔，让我意识到化学不再是一个孤立的学科，而是连接未来高科技产业的基石。阅读这些内容时，我感到一种强烈的紧迫感和兴奋感，因为它描绘的不是停留在实验室的理论推演，而是触手可及的、正在重塑我们生活的技术蓝图。它迫使我跳出传统的化学思维定式，去思考如何用化学的力量去解决更广阔的社会和技术问题。

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我对这本书的阅读体验如同进行了一次跨越时空的化学史诗之旅。它巧妙地将基础化学原理的建立与近现代的重大科学发现交织在一起，使得枯燥的理论背景瞬间变得生动起来。比如，在讲述量子力学在化学键理论中的应用时，作者没有直接跳到薛定谔方程的复杂推导，而是首先描绘了早期科学家们如何从实验现象中艰难摸索出电子轨道的概念，那种从混沌中提炼秩序的智慧令人肃然起敬。这种叙事方式极大地激发了我对化学学科历史价值的认同感。更令人称道的是，书中对那些奠基性实验的描述，细节丰富到仿佛我亲临现场，目睹了那些决定历史走向的关键步骤。读完后，我感觉自己不仅仅是学到了知识，更是对化学家群体那种勇于探索、精益求精的科学精神有了更深层次的共鸣。它不仅仅是一本关于“是什么”的书，更是一本关于“如何成为”的书。

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这本书在信息密度和可读性之间找到了一个近乎完美的平衡点，这在专业学术著作中是相当罕见且难能可贵的。它没有采用那种充斥着晦涩术语和冗长脚注的传统学术风格，而是以一种近乎散文的流畅笔触，将复杂的无机化学反应机理娓娓道来。我尤其欣赏它在介绍新型催化剂设计时所采用的类比手法。例如，作者用精妙的比喻来解释配体场理论中d轨道分裂的能量差异，使得即使是初次接触这个概念的读者，也能迅速抓住其核心要义。此外，书中对图表的运用也极为考究，每一张示意图都服务于核心论点，绝无冗余。它成功地将严谨的科学逻辑用一种非常人性化和视觉化的方式呈现出来，这对于那些希望通过自学深入了解化学核心概念的非专业背景读者来说，简直是福音，极大地降低了专业知识的理解门槛，却丝毫不损害其内容的深度与权威性。

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我不得不说，这本书的编辑和装帧设计同样体现了对读者的尊重。它的排版清晰、字体选择得体，长时间阅读也不会让人感到视觉疲劳。但更重要的是，书中对实验操作安全和规范的强调，体现了作者和出版方高度的责任感。在讨论特定高风险反应时，它会配以明确的风险提示和替代方案的讨论，这在许多只关注理论成果的著作中是看不到的。这种对实践细节的关注，使得这本书不仅是思想的指导，更是操作层面的可靠参考。例如，在分析某些重金属有机反应时，作者详细梳理了后处理过程中涉及的废弃物处理标准和最佳实践，这对于实验室管理人员而言，提供了极具价值的指导性信息。它以一种近乎“手把手”的姿态，确保了知识的传递不仅是知识的传递，更是科学伦理和实践规范的传承，这一点让我深感赞赏和安心。

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