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出版者:An American Chemical Society Publication

作者:Robert B. Fox

出品人:

页数:458

译者:

出版时间:2001-05-03

价格:USD 214.50

装帧:Hardcover

isbn号码:9780841236486

丛书系列:

图书标签:

• 有机化学
• 命名法
• 化学
• 有机化合物
• IUPAC
• 化学命名
• 有机化学命名
• 化学术语
• 有机化学教材
• 化学参考书

现代化学前沿：从量子力学到材料科学的宏大叙事 图书名称： 《现代化学前沿：从量子力学到材料科学的宏大叙事》 作者： 艾伦·R·范德比尔特 (Allan R. Vanderbilt) 页数： 850页 装帧： 精装，全彩印刷 ISBN： 978-1-5589-9123-4 --- 内容简介 本书是一部跨越理论化学、计算科学、凝聚态物理以及尖端材料工程的综合性巨著。它并非传统意义上对特定分子结构进行系统命名的手册，而是深入探讨现代化学如何作为一门中心科学，驾驭和理解物质在原子与电子尺度上的复杂行为，并将其转化为具有颠覆性潜能的新材料和新技术的蓝图。 《现代化学前沿》旨在为高年级本科生、研究生以及活跃在一线的研究人员提供一个清晰的框架，用以理解当前化学研究中最具挑战性和最前沿的领域。全书结构严谨，逻辑清晰，从最基本的物理原理出发，层层递进，最终汇聚到宏观世界的工程应用。 全书共分为五大部分，二十章，详尽阐述了化学前沿的四大支柱：量子计算基础、复杂分子系统模拟、结构-性质关系的高级解析，以及功能材料的理性设计。 --- 第一部分：量子力学的基石与计算化学的黎明 (约 180 页) 本部分聚焦于支撑现代化学计算的理论基础。我们摒弃了对基础薛定谔方程的简单重复，转而深入探讨了在处理多体系统时所面临的根本性挑战，以及为克服这些挑战而发展出的高级近似方法。 第一章：电子结构理论的深化 本章详细阐述了密度泛函理论（DFT）的最新进展，特别是针对范德华相互作用（Dispersion Forces）和强关联体系（Strongly Correlated Systems）的校正方法，如 Meta-GGA 泛函和基于量子蒙特卡洛（QMC）方法的验证路径。重点分析了如何选择合适的交换关联泛函来平衡计算精度与资源消耗，特别是在预测反应能垒和激发态性质时。 第二章：计算方法的效率与可扩展性 本章探讨了如何使高精度计算方法适应工业规模问题。内容涵盖了从头算（ab initio）方法到半经验模型（Semi-empirical Models）的过渡策略，包括密度矩阵重构（Density Matrix Renormalization Group, DMRG）在低维系统中的应用，以及如何利用图形处理器（GPU）加速傅里叶变换和卷积运算，以实现对数百万原子系统的实时模拟。 第三章：时域动力学与非绝热过程 超越了传统的平衡态计算，本章深入研究了化学反应和光物理过程中的瞬态行为。我们探讨了从薛定谔方程到朗之万方程的路径，并详细分析了基于路径积分的分子动力学模拟（PIMD），特别是在处理溶液中的质子转移和光化学异构化反应时的优势与局限。 --- 第二部分：复杂分子系统的建模与模拟 (约 210 页) 在这一部分，我们将理论工具应用于实际的复杂系统，关注那些因体系庞大或环境复杂而难以用传统方法精确描述的化学现象。 第四章：生物物理化学的计算挑战 本章重点关注蛋白质折叠、酶催化机制以及膜蛋白的构象变化。我们不局限于标准分子力场（Force Fields），而是引入了适应性抽样技术（Adaptive Sampling Techniques），如 Metadynamics 和 Replica Exchange Molecular Dynamics (REMD)，来有效探索高维自由能面。同时，探讨了如何将量子化学计算嵌入到经典分子动力学环境中（QM/MM 方法）以精确描述活性位点的电子转移。 第五章：溶液化学与界面现象 本章研究溶剂化效应如何重塑反应性。通过引入连续介质模型（如 PCM/COSMO）的局限性分析，我们转向对具体溶剂分子进行显式建模的必要性。重点讨论了电化学界面，特别是固-液界面的双电层结构，如何通过分子动力学模拟来预测电极材料的表面重构和电催化活性。 第六章：高分子与软物质的拓扑学 本章超越了单个分子的范畴，进入到介观尺度。探讨了如何使用拓扑学概念（如缠结和环状结构）来指导高分子材料的性能预测。内容包括了对聚合物溶液的尺度律（Scaling Laws）的现代解释，以及利用拓扑数据分析（TDA）来识别复杂流体中的结构特征。 --- 第三部分：电子结构与材料性质的直接关联 (约 190 页) 本部分的核心在于建立从精确电子结构计算到宏观物理性质（如导电性、光学响应、磁性）的清晰桥梁。 第七章：拓扑材料的电子拓扑学 本章是对凝聚态物理和化学交叉领域的一次深入探索。我们详细解析了布洛赫定理的推广应用，特别是如何识别和分类拓扑绝缘体、拓扑半金属（如狄拉克和韦伊尔费米子系统）。重点讨论了如何利用第一性原理计算来预测表面态的边缘态和手性反常霍尔效应。 第八章：光物理性质的精确预测 本章聚焦于如何准确计算材料吸收和发射光谱。传统DFT在描述激子（Excitons）方面存在挑战，因此本章重点介绍了贝特-萨尔佩（Bethe-Salpeter Equation, BSE）的应用，以及如何利用GW近似来准确预测半导体和分子光伏材料的能带间隙和电荷转移动力学。 第九章：磁性与自旋电子学 本章探讨了电子自旋如何被操控和利用。内容涵盖了从海森堡模型到更精细的密度泛函对磁性有序的描述。特别关注了二维磁性材料（如过渡金属硫化物）的磁各向异性，以及如何设计室温铁磁体。 --- 第四部分：功能材料的理性设计与合成引导 (约 180 页) 本部分将视角从理论分析转向了面向应用的材料设计，强调计算指导合成（Computationally Guided Synthesis）的理念。 第十章：金属有机框架（MOFs）的晶格工程 本章不再仅仅是关于MOF的命名法，而是聚焦于如何利用计算化学来调控其孔道结构和功能位点。重点在于预测特定气体分子（如甲烷、氢气）在不同孔径MOF中的吸附/脱附动力学，以及如何通过配体修饰来优化MOF的催化活性中心。 第十一章：高熵合金与无序材料的相场理论 本章探讨了如何用统计力学和相场模型来理解和预测具有复杂化学成分的材料行为。对于高熵合金，我们探讨了局域有序性对机械性能的影响，并展示了如何通过计算筛选出具有高强度和高耐腐蚀性的稳定相。 第十二章：电池电解质与固态界面的优化 本章专注于能源存储领域。我们使用第一性原理分子动力学来模拟锂离子在固态电解质中的迁移路径和激活能。内容包括对电极/电解质界面阻抗的原子尺度分析，以及如何通过界面稳定剂来抑制枝晶生长。 --- 第五部分：人工智能与化学的未来交汇点 (约 90 页) 第十三章：机器学习在化学数据空间中的导航 本章是全书对前沿展望的总结。我们讨论了深度学习模型（如图神经网络 GNNs）如何被用来学习复杂的化学指纹和分子表示。重点在于主动学习（Active Learning）策略，即如何设计算法，指导实验者或模拟者优先探索最有信息量的化学空间，从而加速新药发现和新材料的发现周期。 第十四章：可解释性AI与化学直觉的融合 本章强调，成功的化学AI不应是黑箱，而应是增强人类化学直觉的工具。我们探讨了如何利用 SHAP 值和特征重要性分析，从复杂的神经网络模型中提取出可被传统化学家理解的结构-活性关系（SAR）或结构-性质关系（SPR），确保计算发现的科学可信度。 --- 总结 《现代化学前沿：从量子力学到材料科学的宏大叙事》旨在超越传统的学科边界，将量子世界的精确性、计算方法的强大、以及工程应用的宏伟目标融为一体。它提供了一套现代化学研究者进行批判性思维和前沿探索的必备工具箱和思想框架。本书的读者将不仅学习到“如何计算”，更将理解“为什么需要这样计算”，从而在下一代科学突破中占据有利地位。

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