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出版者:清华大学

作者:崔福斋

出品人:

页数:336

译者:

出版时间:2007-5

价格:62.00元

装帧:

isbn号码:9787302143628

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晶格之舞：无机材料的自组织与功能化 简介： 本书深入探讨了材料科学、物理化学以及地球化学交叉领域中一个引人入胜的课题：无机晶体材料的自组装过程及其在功能器件中的应用。我们着重考察的是，在特定的化学梯度、温度场和溶剂环境中，原子和分子如何精确地、有序地堆砌起来，形成具有特定形貌、尺寸和内在缺陷结构的复杂晶体结构。这不仅仅是对平衡态热力学的探讨，更聚焦于动力学控制下的成核与生长机制。 全书分为五大部分，旨在构建一个从微观原子尺度到宏观功能实现的完整认知框架。 --- 第一部分：晶体生长的基本热力学与动力学驱动力 本部分奠定了理解无机材料结构形成的基础。我们首先回顾了表面能、临界成核半径以及吉布斯自由能驱动力在晶体生长中的核心作用。重点分析了过饱和度对晶体生长速率和形貌选择的决定性影响。 1.1 溶解与析出：平衡状态的构建 详细解析了溶解过程（溶解度曲线的精确测定）与析出过程的能量势垒。引入了拉普拉斯方程在描述纳米尺度下溶解度和过饱和度变化中的应用，揭示了小颗粒溶解和快速生长的物理基础。 1.2 成核机制的精细化研究 我们区别讨论了均相成核（在纯净体系中）和异相成核（在特定基底或杂质表面上）的激活能差异。通过原子力显微镜（AFM）和动态光散射（DLS）的实时监测数据，探讨了成核速率随温度和溶液粘度的变化规律，并引入了统计热力学模型来预测不同环境下的初始成核密度。 1.3 生长动力学模型：从扩散控制到反应控制 晶体生长速率并非线性增加。本章深入比较了扩散控制模型（物质向晶面输运是限速步骤）和表面反应控制模型（物质吸附、表面迁移和纳入晶格是限速步骤）。通过测量不同溶剂体系下的表观活化能，来判断特定生长过程的主导机制。此外，还引入了分形生长理论在描述枝晶和不规则形貌形成中的应用。 --- 第二部分：形貌控制与结构缺陷工程 材料的功能性往往与其宏观形状和内部缺陷密切相关。本部分聚焦于如何通过调控外部环境参数来“编程”晶体的生长路径，实现形貌的精准控制，并有针对性地引入或消除关键缺陷。 2.1 表面吸附剂的作用与“刻蚀”效应 系统分析了特定离子或有机分子（如表面活性剂、螯合剂）如何选择性地吸附在晶体的特定晶面（如{100}或{111}面），从而抑制该晶面的生长，导致晶体向其他方向延伸。通过对比不同配位能力的配体对氧化物和硫化物晶体的形貌调控实例，阐述了吸附能与晶面能的比值对最终形态的影响。 2.2 溶剂效应与晶习的转变 深入探讨了溶剂的极性、配位能力和氢键网络如何影响晶体生长过程中的活化能垒。通过改变溶剂（如水、乙醇、DMF）的介电常数，观察材料从块状到纳米棒、纳米片甚至复杂的多级结构的转变，并提供定量的溶剂参数模型来预测这些转变点。 2.3 缺陷的引入与功能化 晶体内部的点缺陷（空位、间隙原子）和线缺陷（位错）是影响材料电子和光学性能的关键。本章讨论了如何利用非化学计量比的生长条件（例如富氧或缺氧环境）来精确控制晶格中的替位杂质浓度或氧空位密度，并展示这些缺陷如何作为光催化活性中心或电荷传输通道。 --- 第三部分：模板介导的结构构筑：从零维到复杂结构 本部分超越了传统的溶液生长，探讨了利用外部结构作为引导，实现高度有序、复杂三维结构的构筑方法。 3.1 软模板法与介孔材料的形成 详细介绍了利用表面活性剂胶束或嵌段共聚物作为“软模板”来构建具有均匀孔径和高比表面积的介孔无机材料（如SBA系列二氧化硅衍生物）。重点分析了“硬化-模板去除”过程中的结构保持机制，以及如何通过调整模板浓度来控制孔径分布。 3.2 硬模板策略与高精度结构复制 考察了利用预先制备好的周期性结构（如球形胶体晶体、纳米颗粒阵列）作为“硬模板”，通过浸渍-沉淀-刻蚀的步骤来复制其内部结构的合成路径。讨论了模板材料（如氧化铝膜、聚合物微球）的选择性溶解过程中的化学兼容性挑战。 3.3 界面生长与异质结的构建 聚焦于两种或多种不同材料在界面上协同生长的现象。分析了如何利用晶格失配度和界面能来控制异质结的形成。重点案例包括半导体材料的核壳结构（Core-Shell）和多层膜的精确沉积，这些结构是高性能传感器的基础。 --- 第四部分：晶体生长过程的实时监测与表征技术 对生长过程的实时、原位观测是理解复杂动力学的关键。本部分详细介绍了用于追踪晶体成核与生长事件的最先进表征技术。 4.1 时间分辨光谱技术 介绍了如何使用时间分辨X射线散射（TR-WAXS）和超快飞秒瞬态吸收光谱来捕捉纳米晶体在极短时间尺度内的结构演变和电子态变化。重点展示了如何利用这些技术区分表面重构和体相重构事件。 4.2 原位显微技术 深入探讨了原位透射电子显微镜（In-situ TEM）在观察纳米颗粒在液相或气相环境中生长、合并和解体的应用。阐述了如何通过控制电场、温度梯度或溶剂流速，来诱导特定生长事件的发生，并记录其过程。 4.3 表面敏感技术：原子层解析 讨论了反射式高能电子衍射（RHEED）和表面等离子体共振（SPR）在监测薄膜生长初始阶段的单原子层沉积和二维结构形成中的精确性。 --- 第五部分：自组织材料的功能化应用案例 最后，本书将理论和技术应用于实际的材料功能化。重点放在了如何通过精准的晶体生长控制，来优化材料在能源、催化和传感领域中的性能。 5.1 高效光催化剂的晶面选择性 通过实例展示，如何精确控制金属氧化物（如TiO2、ZnO）的晶面暴露比例。例如，强调了暴露高能的{001}晶面对可见光响应的提升，并对比了不同生长方法对光生电子-空穴分离效率的影响。 5.2 储能材料的界面优化 分析了锂离子电池固态电解质和电极材料的晶体生长如何影响离子扩散路径。讨论了如何通过控制颗粒的各向异性生长来构建快速离子传导通道，或通过界面工程来抑制电化学副反应。 5.3 传感器的响应机制与晶体形貌 考察了压阻、热释光或化学传感材料中，晶体尺寸、长径比如何影响其宏观响应灵敏度。重点分析了纳米线阵列和花状微结构的表面积/体积比在提高气体吸附和信号转换效率方面的作用。 本书旨在为材料科学家、化学工程师和物理学家提供一个深入、全面的视角，理解无机材料从原子尺度到宏观功能转变的复杂而迷人的“自组织”过程。

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作为一名业余的艺术爱好者，我对书中关于材料美学和结构对称性的描述特别着迷。这本书真正做到了科学与艺术的完美融合，它没有局限于枯燥的化学反应式，而是着重展示了大自然在“建造”过程中的那种不可思议的几何精度和效率。那些对不同晶体结构形成的详细分析，在我脑海中构建出了一幅幅三维立体的、不断生长的抽象雕塑画卷。比如，作者对珍珠母层（nacre）的介绍，那种“砖墙”式的堆砌结构，既轻盈又坚固，简直是仿生工程学的终极范本。我立刻联想到许多古代建筑中对材料的巧妙运用，以及现代设计师们对自然形态的借鉴，这本书无疑为艺术创作提供了取之不尽的灵感源泉。它教会了我如何去“看”结构，而不是仅仅“看”物体本身。书中的图表，虽然是科学配图，但其线条的流畅性和比例的和谐感，本身就具有极高的审美价值。我甚至开始收集一些形状奇特的石头和矿物样本，试图在它们上面找到书中所描述的那些“自组装”的痕迹，这让我的周末生活变得充实而富有探索性。

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我最近迷上了一类关于“时间”和“记忆”的哲学探讨，这本书虽然表面上看似是讲自然科学的，但它内在蕴含的关于“累积”和“永恒”的思考，却让我产生了强烈的共鸣。作者仿佛在引导我们去思考：那些坚硬的矿物质结构，在漫长的时间尺度下，如何记录了过去环境的蛛丝马迹？阅读到关于古生物化石形成过程的那几章时，我感觉自己像一个时间的侦探，试图从那些钙质的骨骼碎片中读取数百万年前的生态信息。这种跨越时间维度的阅读体验非常奇特，它不像历史书那样依赖文字记载，而是通过物质的形态变化来重构历史。更让我感到震撼的是，书中探讨了极端环境下的生命适应性，比如深海、高盐湖泊，这些地方的生命为了生存，发展出了极其高效且稳定的“建筑材料”。这种对生命韧性的赞美，已经超越了纯粹的科学描述，带有一种近乎诗意的敬畏。这本书的论述风格非常具有思辨性，它不只是告诉你“是什么”，更会引导你去思考“为什么会这样”，以及“这是否意味着我们对生命形式的定义过于狭隘”。我时常会停下来，看着窗外那些寻常的岩石或贝壳，尝试用书中的视角去重新审视它们，感受那种时间沉淀下的力量。

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这本书的叙述逻辑非常清晰，它不像我之前读过的某些科普读物那样，喜欢在开头就抛出爆炸性的结论，而是采取了一种非常扎实、步步为营的构建方式。作者首先从宏观的地球形成和元素周期表谈起，建立起物质基础的认知框架，然后逐渐聚焦到生命体内的具体应用，最后将视角提升到地球生态系统的整体运作。这种由简入繁，再由繁归简的结构安排，极大地降低了读者的理解门槛。特别是作者在解释复杂生化过程时，非常善于使用类比，他将分子层面的交互比作日常生活中常见的协作场景，使得那些晦涩的术语变得形象易懂。我尤其欣赏作者的严谨态度，每一处论断都引用了扎实的实验依据，但行文却丝毫不显教条。读完后，我感觉自己不仅获得了知识，更重要的是，掌握了一种分析自然现象的科学思维路径。这本书的价值不仅仅在于信息量的多少，更在于它如何潜移默化地重塑了读者看待世界的方式——一种基于物质规律和演化逻辑的视角。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，封面那种深邃的蓝色调，配上抽象的、仿佛是微观世界中晶体生长的纹理，立刻就抓住我的注意力。初翻开扉页，那种纸张特有的微哑触感，以及油墨散发出的淡淡清香，都透露出一种精心打磨的质感。我原本以为这会是一本晦涩难懂的学术专著，但翻阅目录时，那些引人入胜的章节标题，比如“硅基生命的猜想与哲学反思”、“海洋深处热液喷口的矿物工厂”，立刻激起了我深入探索的欲望。作者在引言中使用的比喻非常生动，他将生命体的构造比作大自然的鬼斧神工，用矿物搭建起精妙的结构，这种宏大的视角让我对生命现象有了全新的认识。阅读过程中，作者对不同地质时期矿物演化的描述，如同在观看一部跨越亿万年的地球史诗，那些关于钙化作用、铁氧化物沉淀的细致剖析，虽然涉及专业术语，但行文流畅，逻辑严密，让我这个非专业人士也能大致把握其核心概念。我特别喜欢作者穿插在正文中的那些精美的手绘插图，它们不像教科书里那样呆板，而是带有艺术性的解读，极大地增强了阅读的愉悦感，仿佛每一个矿物晶体都有了自己的生命和故事。这本书的排版也十分考究，行距适中，注释清晰地放在页脚，保持了阅读的连贯性，让人愿意沉浸其中，一读再读。

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这本书给我的最大感受是，它彻底打破了我对“有机”与“无机”的固有界限。在传统认知中，生命是柔软流动的，而矿物是冰冷坚硬的，但这本书通过无数生动的案例告诉我，这两者之间的界限是何其模糊，甚至可以说，生命本身就是一场在无机物基础上进行的、极其精妙的矿物操控艺术。作者对生物体如何精确控制离子沉淀的细节描述，简直令人叹为观止，那份对精细化学环境的调控能力，远超我们目前最先进的实验室技术。它让我意识到，我们人类所依赖的许多高科技材料，其实都是在模仿自然界亿万年来已经解决的“材料学难题”。这本书的结论部分尤其发人深省，它将视野扩展到了地外生命探索，并探讨了未来能源与材料科学的发展方向，暗示了理解生命与矿物交互的深层机制，或许是人类文明进步的关键所在。合上书本，我感到一种由内而外的充实感，仿佛被授予了一把钥匙，能够开启理解自然界更深层次运作规律的大门。

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太泛。

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六个人合著的书，王夔先生写的后记。

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