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出版者:Royal Society of Chemistry

作者:S.D. Jackson

出品人:

页数:328

译者:

出版时间:2003-10-01

价格:USD 229.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780854046089

丛书系列:

图书标签:

• 物理化学
• 催化
• 应用化学
• 化学工程
• 材料科学
• 环境催化
• 有机催化
• 工业催化
• 能源催化
• 纳米催化
• 绿色化学

《先进材料的界面行为与功能化》 本书聚焦于现代材料科学的前沿领域——材料表面的界面现象及其主动调控，旨在系统阐述不同材料体系在复杂环境下的相互作用机制，并深入探讨如何通过精确的界面工程设计，赋予材料全新的宏观功能。 --- 第一部分：界面物理与化学基础 (The Fundamentals of Interfacial Science) 本部分将构建理解材料表面与界面行为的理论基础。界面，作为宏观物质世界中的一个二维区域，其性质往往决定了整个材料体系的性能。 第一章：表面与界面的热力学与动力学 本章首先回顾经典表面热力学，包括表面能、表面张力在固-气、固-液界面上的表现。重点解析曲率对表面自由能的影响，并引入Gibbs吸附方程在多组分体系中的应用。随后，深入讨论界面动力学，包括原子在表面上的扩散、重构过程（如步移、岛形成长），以及温度和压力如何影响这些过程的活化能垒。特别关注高熵合金、复杂氧化物等新型材料的表面弛豫行为。 第二章：电子结构与化学键合在界面上的重构 材料界面的电子性质是理解其反应活性的关键。本章运用密度泛函理论（DFT）计算结果，解析金属-半导体、半导体-半导体、以及金属-绝缘体界面处的电子态密度（DOS）和能带弯曲现象。探讨界面电荷转移机制，以及化学键合（如范德华力、共价键、离子键）在不同界面类型中的相对贡献。详细分析界面缺陷（如空位、间隙原子）如何改变局域电场，并影响载流子的传输。 第三章：界面润湿性、张力和微观形貌 本章系统研究润湿行为。从Young方程出发，结合Young-Dupré方程，解释接触角测量的物理意义，并介绍先进的动态接触角测量技术（如Tadmor法）。深入分析表面张力与材料微观形貌（粗糙度、表面能各向异性）之间的复杂关系。引入“有效表面能”的概念，以更准确地描述粗糙表面的热力学状态。讨论界面粘附力（Adhesion Force）的测量方法，包括原子力显微镜（AFM）的拉伸测试和剥离测试。 --- 第二部分：界面工程与主动调控 (Interface Engineering and Active Control) 本部分转向材料的功能化应用，着重于如何通过精细的界面操作，实现对材料性能的定向调控。 第四章：薄膜沉积与界面质量控制 详细论述原子层沉积（ALD）、脉冲激光沉积（PLD）、分子束外延（MBE）等先进薄膜生长技术。重点分析生长模式（如岛状生长、层状生长、Frank-van der Merwe转变）对界面平整度和晶格匹配度的影响。讨论应力管理——如何通过应变量子化和缓冲层的引入，控制异质结界面的应变梯度，从而诱导材料产生相变或改变其磁学/光学性质。 第五章：活性位点的设计与催化剂表面修饰 尽管本书不专注于催化反应本身，但本章将界面科学应用于活性位点的构建。探讨单原子催化剂（SACs）的锚定机制，分析载体材料（如氧化物、碳材料）表面官能团与孤立原子之间的配位环境。研究界面修饰层（如分子自组装单分子层，SAMs）如何精确调控反应物分子在活性位点的吸附强度和空间取向，从而实现对反应路径的选择性导向。 第六章：电化学界面：双电层结构与固态电解质界面（SEI） 在能源存储领域，界面决定了器件的效率和寿命。本章深入解析电极/电解质界面上的双电层（EDL）结构，讨论Stern层和扩散层中离子分布的非理想行为。重点剖析锂离子电池中固态电解质界面（SEI）的形成机理、化学成分（LiF, Li2CO3等）及其对界面阻抗的影响。介绍原位表征技术（如原位XPS、原位Raman）在监测动态SEI演变中的应用。 --- 第三部分：多功能异质结构与界面效应 (Multifunctional Heterostructures and Interfacial Effects) 本部分探索当两种或多种材料的界面被构建时，所产生的超越组分材料简单叠加的“涌现”特性。 第七章：应变工程与结构-性能耦合 本章阐述如何利用晶格失配诱导的应变场，来“定制”材料的固有属性。通过实例分析，展示应变如何影响铁电材料的极化方向、拓扑绝缘体的表面态拓扑性质，以及半导体材料的光电转换效率。详细讨论界面处的应力松弛机制，以及应变梯度如何驱动位错的产生和迁移，进而影响材料的机械韧性。 第八章：界面磁性与电子轨道耦合 探讨在磁性异质结中，界面耦合如何影响磁化强度和磁畴壁动力学。分析不同金属氧化物界面处电子轨道排布的改变（如Dopants的位移），如何导致界面出现二维电子气（2DEG）或界面铁磁性。重点介绍轨道矩与自旋-轨道耦合（SOC）在界面处的增强效应，这对于设计低功耗自旋电子器件至关重要。 第九章：功能界面在传感与生物兼容性中的应用 本章关注界面在实际应用中的转换。在化学传感方面，分析不同吸附物分子在纳米材料表面（如量子点、二维材料）的吸附如何引起局域电学或光学信号的显著变化。在生物医学领域，探讨如何利用界面修饰技术，如PEG化或肽段偶联，来调控纳米颗粒的表面电位、亲疏水性和蛋白质吸附行为，从而实现精准的药物靶向输送和提高生物相容性。 --- 第四部分：界面表征技术的高级应用 (Advanced Characterization Techniques for Interfacial Analysis) 本部分汇集了研究界面所需的最先进的表征工具，强调其局域性和原位性。 第十章：高空间分辨的元素与化学态分析 详细介绍尖端显微分析技术，包括球差校正透射电子显微镜（STEM）结合能量分散X射线谱（EDX）和电子能量损失谱（EELS），用于在亚纳米尺度上确定界面处的元素分布和化学价态。重点讨论EELS中共振峰的解析方法，以区分界面上原子价态的细微差异。介绍二次离子质谱（SIMS）在深度剖面分析中的高灵敏度应用。 第十一章：原位与动态界面过程监测 强调“在运行中观察界面”的重要性。系统介绍原位/透射电子显微镜（In-situ TEM/STEM）在电、热、力学刺激下的界面演化研究。讨论原位X射线光电子能谱（XPS）和原位拉曼光谱技术，如何实时捕获反应物、中间态或电化学反应界面处的电子结构和化学键合变化，为理解界面响应机制提供时间分辨率。 第十二章：表面敏感的分子与光激发态探测 探讨表面等离子体共振增强技术（如SERS, SHG）在探测界面分子吸附和结构对称性上的独特优势。介绍时间分辨光电子能谱（TR-PES）在追踪界面处光生载流子分离和界面态捕获动力学中的关键作用，揭示能量从一个材料向另一个材料界面转移的超快过程。 --- 结论与展望：面向未来的界面系统构建 本书的最后将总结当前界面科学面临的主要挑战，包括高精度建模的局限性、复杂多相界面的解析难度，以及在极端环境（高温、高辐射）下界面稳定性的问题。展望未来，强调人工智能和机器学习在加速界面材料设计和性能预测中的潜力，呼吁跨学科合作以实现下一代智能材料和器件的突破。

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这本书的排版和装帧实在是令人印象深刻，拿到手里就有种厚重而专业的质感。封面设计简洁而不失深沉，那种墨绿与金色的搭配，透露出一种经典而永恒的科学美感，让人忍不住想立刻翻开它。内页纸张的选用也十分考究，触感细腻，即便是长时间阅读也不会感到疲惫。更值得称赞的是，作者在章节划分上展现了高超的逻辑架构能力。每一部分的过渡都显得自然而流畅，仿佛在引导读者进行一次结构严谨的学术漫步。从宏观的理论基础到微观的机制解析，再到实际工业流程中的案例分析，其组织脉络清晰得令人赞叹。我尤其欣赏其对图表和插图的处理——它们并非简单的装饰，而是真正起到了解释和深化理解的作用，那些复杂的反应路径图和晶体结构示意图，即使用户是初次接触相关领域，也能通过这些视觉辅助工具迅速建立起直观的认知框架。这表明编者在内容呈现上投入了极大的心血，确保了信息传递的最高效性与准确性。可以说，光是阅读这本书的过程，本身就是一种享受，它不仅仅是知识的载体，更是一件精美的工艺品。

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这本书在理论深度的把握上，展现出了一种令人敬畏的平衡艺术。它一方面要求读者具备扎实的化学基础，对量子力学和热力学有基本的了解，但另一方面，它又非常体贴地为那些跨学科背景的读者预设了必要的“知识桥梁”。我特别关注了其中关于催化剂表面活性位点构筑的部分，作者没有简单地罗列现有的合成方法，而是深入剖析了每种方法的局限性及其在不同基底材料上的适用边界，并辅以大量的实验数据支撑。这些数据并非堆砌，而是经过精挑细选，用于验证和反驳特定的理论模型。这种严谨性使得书中的每一个结论都有着坚实的证据链条作为支撑，极大地增强了其学术权威性。对于我个人而言，书中关于非均相催化剂失活机制的讨论，提供了一个全新的分析视角，它挑战了我过去对某些“必然”过程的固有认知，迫使我重新审视长期以来被接受的一些工业常识。总而言之，它在“够深”和“可达”之间，找到了一个近乎完美的交汇点。

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这本书的行文风格非常大胆且富有穿透力，它没有陷入传统教材那种干巴巴的叙述窠臼，反而注入了一种近乎于文学性的批判精神和探索欲。作者似乎总能精准地把握住那些前沿领域中尚未完全被固化的、充满争议和活力的研究热点，并以一种毫不畏惧的姿态去审视它们。我阅读时有一种强烈的代入感，仿佛正与一位经验老到的行业巨擘并肩坐在实验室里，听他娓娓道来那些尚未公开发表的最新见解和敏锐洞察。这种非正式却又极度深刻的叙述方式，极大地激发了我对书中所涉猎的化学现象背后原理的深层探究欲望。他对于实验设计中那些“巧妙的失误”和“意想不到的收获”的描绘尤为生动，使得原本枯燥的实验记录充满了戏剧张力，让我深刻体会到科学研究中那种“柳暗花明又一村”的惊喜与不易。这种叙事上的魅力，远超出一本单纯的学术专著应有的范畴，更像是一部关于“如何思考问题”的哲学指南。

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我发现这本书的实用价值是其最引人注目的特质之一，它显然是写给那些需要在实际生产或研发一线工作的工程师和科学家们看的。它没有停留在高深的象牙塔理论，而是将那些复杂的数学模型和动力学方程，转化为可以直接在反应釜操作中进行参数优化的实用工具。例如，书中详细介绍了几种常用的反应器设计参数对产物选择性的影响规律，并且提供了相应的敏感度分析图表，这些都是在项目初期进行可行性评估时极为宝贵的参考资料。更令人称道的是，它对于“过程控制”的论述，着重强调了在温度、压力波动等非理想条件下，如何通过精细的在线监测和反馈调节来维持体系的稳定性，这在高度依赖稳定性的精细化学品合成中是至关重要的。这本书的价值，不在于它教会了你“是什么”，而在于它清晰地指导了你“该怎么做”以及“为什么这样做是最佳选择”，这使得它在工具书的范畴内也显得独树一帜。

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这本书的学术视野之广阔，着实令人称奇，它展现了对学科边界的深刻理解和跨越能力。它不仅仅聚焦于传统的化学反应加速领域，而是将目光投向了更广阔的能源转换、环境修复乃至生物仿生等前沿交叉地带。例如，书中对于光催化分解水制氢的最新进展进行了系统梳理，不仅详细介绍了不同半导体材料的光吸收特性和载流子分离效率，还探讨了界面工程如何通过表面等离激元效应来突破量子效率的瓶颈。这种“融会贯通”的能力，使得这本书超越了单一学科的限制，成为了一本真正的综合性参考巨著。我特别喜欢作者在论述这些新兴技术时所展现出的那种对未来潜力的乐观与审慎并存的态度，他既描绘了宏伟的蓝图，也毫不回避地指出了当前技术距离大规模应用尚存的巨大鸿沟。阅读它，就像是进行了一次高强度的头脑风暴，它不断拓宽我对“可能性”的定义，让人对未来的科技发展充满期待。

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