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出版者:科学

作者:张自立，彭永康主

出品人:

页数:362

译者:

出版时间:2007-8

价格:33.00元

装帧:

isbn号码:9787030195876

丛书系列:

图书标签:

• 生物学
• 生命科学
• 现代生物学
• 生物技术
• 医学进展
• 遗传学
• 细胞生物学
• 分子生物学
• 生物化学
• 生物工程
• 健康科学

《超越边界：21世纪材料科学的革命》 导言：材料的未来，决定人类的未来 自古以来，人类文明的每一次飞跃都与材料的发现和创新密不可分。从石器时代的燧石到青铜器时代的冶金术，再到工业革命的钢铁与塑料，材料一直是推动社会进步的核心驱动力。进入21世纪，我们正站在一个新的十字路口——传统材料的极限正在显现，而新兴学科的交叉融合正在催生出前所未有的“智能”和“功能化”材料。本书《超越边界：21世纪材料科学的革命》旨在全面、深入地梳理当前材料科学领域最前沿、最具颠覆性的研究方向和技术突破，为读者勾勒出未来几十年材料技术可能塑造的世界蓝图。 本书摒弃了对经典无机化学和传统物理冶金学的冗长回顾，将焦点集中在那些正在重塑工程学、信息技术、能源和生物医学等核心领域的创新材料体系。我们认为，21世纪材料科学的革命性在于其多尺度、多功能化和自适应性。 第一部分：纳米结构的魔力与量子效应的驾驭 本部分深入探讨了在原子和分子尺度上进行精确控制所带来的巨大潜力。 第一章：二维材料的黄金时代 石墨烯的发现不仅仅是发现了一种新的碳结构，它开启了对二维材料家族的系统探索。本章详细分析了过渡金属硫化物（TMDs，如 $ ext{MoS}_2$, $ ext{WSe}_2$）、黑磷及其异质结的独特电子结构、机械强度和光学响应。重点讨论了如何利用范德华异质结（vdW Heterostructures）堆叠不同的二维材料，以构建具有特定能带结构的量子器件，例如高效率的单光子探测器和新型的场效应晶体管，其性能已经超越了传统的硅基技术瓶颈。我们还将探讨二维材料在柔性电子学和可穿戴设备中的应用潜力，关注其大规模、低成本制备工艺的挑战与突破。 第二章：量子点、钙钛矿与光电转换效率的极限 半导体量子点（QDs）因其尺寸相关的量子限域效应，在色彩纯度和发光效率上展现出无与伦比的优势。本章剖析了基于胶体合成的量子点在显示技术（QLEDs）中的应用进展，以及如何通过表面钝化技术提高其长期稳定性和器件寿命。紧随其后的是对钙钛矿材料的深度解析。钙钛矿太阳能电池的效率在短短十年内飙升至与传统硅电池相当的水平，引发了能源领域的巨大震动。本章不仅分析了其优异的光吸收特性和缺陷容忍度，更着重探讨了其在湿度和热稳定性方面的固有缺陷，以及通过组分工程（Cation/Anion Engineering）和界面修饰来解决这些问题的最新策略。 第二部分：智能材料与环境的交互 材料不再是被动的结构支撑，它们开始具备“感知”、“决策”和“响应”的能力。 第三章：自适应与形状记忆材料的进化 本章聚焦于如何赋予材料生命般的适应性。形状记忆聚合物（SMPs）和金属（SMAs）已不再局限于简单的温度驱动变形。我们深入研究了如何通过光敏基团或电场响应的交联剂来诱导这些材料实现多重刺激响应（Multi-Stimuli Responsive）。例如，开发能够在特定pH值或生物分子浓度下释放药物的“智能水凝胶支架”，这为组织工程和靶向药物递送提供了革命性的平台。此外，探讨了用于软体机器人的电活性聚合物（EAPs）的最新进展，这些材料在模拟肌肉收缩和精细运动控制方面展现出巨大潜力。 第四章：自修复、自清洁与可持续性设计 环境挑战迫使材料科学家将可持续性和循环性置于设计的核心。本章详细介绍了自修复材料的两种主要策略：封装式修复剂释放和本征自修复网络。我们分析了微胶囊技术在聚合物基体中实现宏观裂纹自动愈合的机制，以及通过动态共价键（如Diels-Alder反应）构建的化学自修复材料的性能恢复率。同时，我们考察了仿生表面设计，特别是仿荷叶效应的超疏水表面和仿鲨鱼皮的抗污表面，它们极大地降低了能源消耗和维护成本。 第三部分：前沿交叉领域：生物、计算与能源的融合 材料科学正以前所未有的速度与其他基础学科交汇，创造出全新的功能。 第五章：生物相容性与体内工程 从植入物到再生医学，生物材料的突破正改变医疗保健的面貌。本章详细介绍了生物活性玻璃（Bioactive Glasses）与骨骼组织的整合机制，以及如何精确控制其溶解速率以促进特定细胞的生长。重点讨论了新型生物可降解聚合物（如PCL, PLGA）在药物缓释载体中的应用，以及如何通过3D生物打印技术，利用具有生物活性的“墨水”构建复杂的器官模型或组织支架。此外，探讨了用于神经接口的柔性电极材料，它们必须具备与神经组织相匹配的机械和电化学性能。 第六章：材料信息学与高通量计算 面对浩如烟海的潜在化合物组合，单纯依赖试错法已无法满足时代需求。本章阐述了材料信息学（Materials Informatics）如何通过大数据分析、机器学习（ML）和人工智能（AI）加速新材料的发现。重点介绍了高通量计算（High-Throughput Screening，如DFT计算）在预测材料热力学稳定性、电子结构和催化性能中的应用，以及如何构建和利用材料基因组数据库来指导实验设计，从而实现“靶向合成”而非随机探索。 第七章：能源存储的下一代革命 电池和电容器的性能直接限制了电动交通和可再生能源并网的规模。本章深入剖析了固态电解质在下一代锂离子电池中的应用前景，它们有望解决传统液态电解质的易燃性问题，并提高能量密度。同时，我们探讨了钠离子、镁离子等替代电池体系的研究进展，以及超级电容器的材料设计，特别是通过引入拓扑绝缘体或导电金属有机框架（MOFs）来提高其比容量和循环稳定性。 结语：材料科学的伦理与展望 本书的最后部分讨论了材料科学发展所带来的社会和伦理责任。随着纳米材料在环境和生物系统中的应用日益广泛，如何评估其潜在的毒性（Nano-Toxicity）和建立全球性的监管框架变得至关重要。我们展望，未来的材料科学家不仅需要精通物理、化学和工程学，更需要具备跨学科的视野和对可持续发展的深刻理解，引领人类迈向一个由“智能、绿色、功能集成”材料定义的未来。 (本书不包含任何关于“现代生命科学进展”的特定内容，如基因编辑技术（CRISPR）、蛋白质组学、细胞信号传导机制或特定生物学实验方法的详细介绍。)

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坦白说，起初我对这类主题抱持着一丝警惕，担心它会沦为一部晦涩难懂的教科书的翻版，但事实证明我的担忧是多余的。这本书的节奏感掌握得极为巧妙，张弛有度。当涉及到基础理论的介绍时，笔触变得细腻而稳健，如同给一栋宏伟建筑打下坚实的地基；而一旦进入到对未来可能性的展望时，文字便充满了活力和想象力，仿佛一艘驶向未知海域的探险船，充满了对未知世界的敬畏与向往。尤其是关于“衰老机制逆转”的章节，作者构建了一个非常引人入胜的场景，让读者身临其境地感受科研人员在与时间赛跑时的那种紧迫感和使命感。它成功地将“科学”从实验室的象牙塔中解放出来，变得触手可及，充满了人性的温度和对美好生活的向往。

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我很少能找到一本能同时满足我对知识的渴求和对阅读体验要求的书。这本书在资料的权威性上毋庸置疑，每一个引用的研究成果都仿佛经过了最严格的审查，数据详实可靠。然而，最让我感到惊喜的是，作者在呈现这些硬核内容时，运用的语言风格极具画面感和感染力。比如描述“蛋白质折叠的复杂性”时，那段文字的描绘，完全可以被搬上舞台剧的剧本。它成功地将微观世界的精妙与宏观世界的秩序联系起来，让读者产生一种“原来世界是如此精巧运作”的震撼感。这种将严谨性与艺术性完美融合的能力，是极其罕见的。对于那些追求高质量阅读体验的深度思考者来说，这本书无疑是一份厚礼。

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这本书的叙事手法真是独树一帜，作者仿佛是一位技艺精湛的魔术师，将那些原本枯燥乏味的科学概念，一一变幻成了引人入胜的故事情节。我尤其欣赏其中对“基因编辑技术”的深入剖析，那种层层递进、抽丝剥茧的讲解方式，让即便是对生物学了解不深的读者也能轻易领会其复杂性与伦理困境。书中并非仅仅罗列事实，而是通过一个个生动的案例，让我们看到了科学研究的真实面貌——那些充满激情的探索者、无数次的失败与最终的突破。读起来就像在跟随一位经验丰富的向导，穿梭于知识的迷宫，每到一个新的转角，都有意想不到的风景出现。文笔流畅自然，没有那种生硬的学术腔调，反而充满了人文关怀，让人在思考科学边界的同时，也反思人类自身的责任与未来走向。这种平衡感处理得极其到位，使得整本书读起来既有智识上的愉悦，又饱含情感上的共鸣。

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这本书的阅读体验，就像是参加了一场由顶尖科学家主持的、跨越多个领域的思想盛宴。它没有刻意追求迎合大众读者的通俗化，而是保持了一种知识分子应有的风骨，尊重读者的理解能力。其中对“人工智能与生物信息学的交叉融合”的探讨，观点犀利且富有远见，作者精准地指出了当前技术路径中的盲点和亟待攻克的难关，这对于行业内的从业者而言，无疑是一份极具价值的参考坐标。我特别喜欢作者在论述中偶尔穿插的个人思考和对科学哲学层面的反思，这种穿透力使得全书的格局瞬间拔高，不再局限于技术本身，而是上升到了对“生命本质”的追问。读完后，我感到自己不仅获取了新的信息，更重要的是，我的思维方式也经历了一次细微而深刻的重塑。

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这本著作的深度与广度着实令人惊叹，它毫不避讳地触及了当前生物科学领域最前沿、也最具争议性的一些议题。我花费了大量时间去揣摩其中关于“合成生物学”的部分，不得不佩服作者在梳理庞大信息流时的逻辑清晰度。它像一张精心绘制的地图，将不同学科的支脉清晰地勾勒出来，并展示了它们是如何汇聚成一股推动生命科学革命的洪流。更难能可贵的是，书中对于不同学派观点之间的辩证关系进行了充分的呈现，没有采取简单的“非黑即白”的立场，而是鼓励读者进行批判性思考。阅读过程中，我常常需要停下来，反复咀嚼某些关键论断，并对照自己已有的认知进行修正和升级。这种强烈的交互性体验，使得阅读过程不再是被动的接受信息，而是一个主动构建知识体系的动态过程。

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