序論：寫作是一種深度的自我表達(dá)。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來(lái)了七篇化學(xué)材料科學(xué)與工程范文，愿它們成為您寫作過(guò)程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

篇(1)

論文摘要：將量子化學(xué)原理及方法引入材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系研究領(lǐng)域中無(wú)疑將從更高的理論起點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)微觀尺度上的各種參數(shù)、性能和規(guī)律，這將對(duì)材料科學(xué)、能源以及生物大分子體系的發(fā)展有著重要的意義。

量子化學(xué)是將量子力學(xué)的原理應(yīng)用到化學(xué)中而產(chǎn)生的一門學(xué)科，經(jīng)過(guò)化學(xué)家們的努力，量子化學(xué)理論和計(jì)算方法在近幾十年來(lái)取得了很大的發(fā)展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級(jí)問(wèn)題上已經(jīng)受到足夠的重視。目前，量子化學(xué)已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)的各個(gè)分支以及生物、醫(yī)藥、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)域，取得了豐富的理論成果，并對(duì)實(shí)際工作起到了很好的指導(dǎo)作用。本文僅對(duì)量子化學(xué)原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領(lǐng)域做一簡(jiǎn)要介紹。

一、在材料科學(xué)中的應(yīng)用

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計(jì)算量子化學(xué)開始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實(shí)際問(wèn)題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對(duì)水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級(jí)基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級(jí)與Sr-O，Ba-O共價(jià)鍵級(jí)都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級(jí)和Ca-O共價(jià)鍵級(jí)，由此認(rèn)為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來(lái)，也為水泥材料的設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過(guò)渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場(chǎng)和電子結(jié)構(gòu)，通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過(guò)量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值定性趨勢(shì)一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計(jì)算[5]。再比如說(shuō)，NbO2是一個(gè)在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過(guò)量子化學(xué)方法進(jìn)行的計(jì)算和討論，并通過(guò)計(jì)算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計(jì)算機(jī)時(shí)少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時(shí)由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來(lái)隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計(jì)算方法以及計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對(duì)于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計(jì)算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測(cè)反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級(jí)芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識(shí)對(duì)所研究的低級(jí)芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗(yàn)方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計(jì)算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對(duì)設(shè)計(jì)路徑的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算。由理論計(jì)算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比有較好的一致性，對(duì)煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因?yàn)榫哂须娙萘看蟆⒐ぷ麟妷焊?、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、無(wú)記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開始向電動(dòng)汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過(guò)程實(shí)際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來(lái)回嵌入和脫嵌的過(guò)程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對(duì)進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法以C32H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對(duì)摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li-C和具有共價(jià)性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計(jì)算法，對(duì)低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對(duì)材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和計(jì)算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。

三、在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學(xué)計(jì)算一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學(xué)可以在分子、電子水平上對(duì)體系進(jìn)行精細(xì)的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識(shí)別與結(jié)合過(guò)程及作用方式等，都很有必要運(yùn)用量子化學(xué)的方法對(duì)這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無(wú)疑問(wèn)，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過(guò)程和作用特點(diǎn)設(shè)計(jì)高效低毒的新藥等等，可見(jiàn)運(yùn)用量子化學(xué)的手段來(lái)研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計(jì)算變得更加迅速和方便?？梢灶A(yù)言，在不久的將來(lái)，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

篇(2)

綠色理念在室內(nèi)設(shè)計(jì)中還處于探索研究階段，現(xiàn)階段的室內(nèi)設(shè)計(jì)還存在許多問(wèn)題，從我國(guó)現(xiàn)階段的室內(nèi)設(shè)計(jì)發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，室內(nèi)設(shè)計(jì)主要存在五個(gè)方面的問(wèn)題：第一，不重視室內(nèi)設(shè)計(jì)相關(guān)的管理、法規(guī)、技術(shù)；第二，大量使用化學(xué)材料，嚴(yán)重影響了人們的身體健康；第三，單純強(qiáng)調(diào)裝修材料的運(yùn)用，忽視了室內(nèi)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵；第四，追求奢華氣派的設(shè)計(jì)風(fēng)格，大量使用不可再生資源，造成資源浪費(fèi)：第五，室內(nèi)設(shè)計(jì)完成后的剩余材料隨意丟棄，造成環(huán)境污染。這些問(wèn)題的產(chǎn)生要從主客觀兩方面進(jìn)行分析，主觀方面是室內(nèi)設(shè)計(jì)受到了人們錯(cuò)誤價(jià)值觀的誤導(dǎo)，客觀方面是由于綠色理念在室內(nèi)設(shè)計(jì)中發(fā)展不完善，設(shè)計(jì)師對(duì)綠色理念不清晰。

二、綠色理念在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)居住條件又有了重新的認(rèn)識(shí)，不斷強(qiáng)調(diào)在室內(nèi)設(shè)計(jì)中凸顯“綠色”概念，綠色理念的應(yīng)用已成為室內(nèi)設(shè)計(jì)的永恒主題。

（一）重視“以人為本”的思想

以人為本是綠色理念在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的前提。室內(nèi)設(shè)計(jì)要突破傳統(tǒng)的思想和做法，把以人為本的思想融入進(jìn)去，設(shè)計(jì)出適合人們生活習(xí)慣和生活方式的室內(nèi)環(huán)境，滿足使用者的心理需要，達(dá)到人與自然的和諧相處。綠色理念在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用要求設(shè)計(jì)者充分研究人的生理特性，掌握豐富的人體工程學(xué)知識(shí)。室內(nèi)設(shè)計(jì)的根本原則是保障人們的安全和身心健康，設(shè)計(jì)者要選好裝修材料，根據(jù)使用者對(duì)空間面積、家居布置、消防安全的需求，融入以人為本的思想，科學(xué)合理的做好室內(nèi)設(shè)計(jì)，而且研究人的生理特點(diǎn)可以合理的設(shè)計(jì)加劇的尺寸、燈光亮度、室內(nèi)溫度等，滿足使用者生理特性與室內(nèi)環(huán)境統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

（二）做好空間設(shè)計(jì)

室內(nèi)空間形態(tài)是由于墻體的圍合造成的，不同的空間形態(tài)對(duì)使用者的生理和心理會(huì)造成不同的影響。設(shè)計(jì)者要充分考慮現(xiàn)有的空間形態(tài)，通過(guò)綠色材料科學(xué)合理的對(duì)室內(nèi)空間進(jìn)行布局，創(chuàng)造出自然和諧的學(xué)習(xí)、工作、生活環(huán)境。使用者在室內(nèi)的安全最為重要，這就要求室內(nèi)設(shè)計(jì)要人性化，最大限度的在室內(nèi)空間設(shè)計(jì)中滿足使用者對(duì)通風(fēng)、采光的需求，而且還要根據(jù)不同空間的不同使用者，合理的選用室內(nèi)設(shè)計(jì)的具體尺寸，成造出良好的學(xué)習(xí)生活環(huán)境。同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)空間設(shè)計(jì)的功能化，室內(nèi)空間主要分為客廳、臥室、廚房等區(qū)域，隨著人們生活水平的日益提高，這些區(qū)域已不能滿足人們多元化的需求，設(shè)計(jì)者要根據(jù)建筑原理并融合創(chuàng)新思想，對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行多元化、人性化的設(shè)計(jì)，最大限度滿足使用者多元化的需求。

（三）做好資源節(jié)約

室內(nèi)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)是對(duì)室內(nèi)環(huán)境節(jié)能、環(huán)保、綠色設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者在室內(nèi)設(shè)計(jì)過(guò)程中首先要堅(jiān)持再利用原則，資源的再利用是室內(nèi)設(shè)計(jì)最為困難的地方，設(shè)計(jì)者要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)室內(nèi)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，注意室內(nèi)裝飾品、陳設(shè)品的完整性，使其再利用而不失完美，盡最大努力把資源的循環(huán)利用設(shè)計(jì)到室內(nèi)環(huán)境中。其次要堅(jiān)持再循環(huán)原則，當(dāng)需要拆除室內(nèi)部分功能時(shí)，要保證室內(nèi)裝修、裝飾材料等資源的再生化，避免二次裝修而造成的資源浪費(fèi)。最后還要堅(jiān)持少量化原則，對(duì)室內(nèi)空間進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要減少消耗、降低成本，最大限度的使用所選擇的裝修材料，同時(shí)裝修形式要簡(jiǎn)潔、減少對(duì)環(huán)境的污染。當(dāng)前部分消費(fèi)者過(guò)度追求室內(nèi)裝修的“奢華”與“氣派”，不僅造成資源浪費(fèi)，還在不同程度上危害了室內(nèi)環(huán)境。所以人們要轉(zhuǎn)變思想觀念，改變世俗的審美心理，積極倡導(dǎo)裝修的簡(jiǎn)約化，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮裝修材料的實(shí)用性，避免過(guò)分追求高檔的裝修材料，運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想賦予室內(nèi)設(shè)計(jì)廣泛的內(nèi)涵，營(yíng)造出一個(gè)綠色和諧的室內(nèi)環(huán)境。

（四）做好材料選擇

綠色材料又叫生態(tài)材料，它是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)綠色設(shè)計(jì)的物質(zhì)保障。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行裝修材料選擇時(shí)，要選擇實(shí)用性能好、環(huán)境污染小、可循環(huán)再利用的材料，這樣不但可以保障室內(nèi)環(huán)境優(yōu)良，還可以對(duì)自然環(huán)境起到一定的保護(hù)作用。因此，室內(nèi)設(shè)計(jì)要多采用綠色材料，注重高新技術(shù)材料的應(yīng)用。近年來(lái)，我國(guó)房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，與其相關(guān)的家裝企業(yè)為滿足人們的需求也在不斷研發(fā)新產(chǎn)品，設(shè)計(jì)者要抓住這一有利環(huán)境，在材料的選擇上多采用具有保溫和采光雙重作用的玻璃、節(jié)水型的部件、節(jié)能性的燈具等；墻面材料要選擇多用水性涂料、墻紙和天然織物，它們含有較少的有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境的污染較小，適合大面積使用；就地面而言，其具有更為廣泛的選擇性，地毯、地磚、天然石材等污染較小，室內(nèi)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能多的使用這類材料；而室內(nèi)設(shè)計(jì)中的軟裝修材料來(lái)說(shuō)，也需選擇天然成分含量較高的材料，如窗簾、枕套、床罩等要多選用棉麻制品，它們污染小且不易褪色?？傊覂?nèi)設(shè)計(jì)的材料要根據(jù)實(shí)際情況和使用者的需求而進(jìn)行選擇，堅(jiān)持節(jié)約、環(huán)保的原則，建立一個(gè)綠色和諧的室內(nèi)環(huán)境。

（五）重視回歸自然

回歸自然是指充分利用綠色理念在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對(duì)室內(nèi)環(huán)境與自然環(huán)境進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，保障室內(nèi)采光、通風(fēng)、隔熱、保溫的自然性，營(yíng)造健康舒適的室內(nèi)生活環(huán)境，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境與自然環(huán)境的和諧統(tǒng)一。就材料而言，設(shè)計(jì)時(shí)要多采用具有自然特性的裝飾材料，如家具的選擇要以木、竹、藤為主，它們具有天然的紋理，給人以懷舊簡(jiǎn)潔、回歸自然的感覺(jué)；掛件和床上用品的選擇要以毛、麻、棉等傳統(tǒng)材料為主，它們具有天然的色彩，可營(yíng)造清新古樸的情調(diào)。就空間而言，可注重墻面的鏤空效果，或采用大面積落地窗，使空間寬敞明亮，加大了與室外環(huán)境的溝通，保障了人們心情舒暢，滿足了人們回歸自然的心理需求。就環(huán)境而言，我們可以創(chuàng)造條件把自然環(huán)境引入進(jìn)來(lái)，通過(guò)盆栽、水景、插花的設(shè)計(jì)，營(yíng)造室內(nèi)的自然環(huán)境氛圍，滿足人們親近自然的需求；同時(shí)還可以利用音頻視頻設(shè)備，把自然界的鳥語(yǔ)花香、風(fēng)聲水聲引入室內(nèi)，滿足人們對(duì)自然環(huán)境聽覺(jué)、視覺(jué)的需求。

三、結(jié)語(yǔ)

篇(3)

[關(guān)鍵詞]材料；有機(jī)化學(xué)；分子模擬；創(chuàng)新；教學(xué)改革

1前言

材料有機(jī)化學(xué)作為化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)課程，其主要研究化學(xué)材料的結(jié)構(gòu)與性能。相較于其它課程，材料有機(jī)化學(xué)的理論性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)多、化合物結(jié)構(gòu)抽象、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜。在傳統(tǒng)的教學(xué)中教師往往采用實(shí)物模型展示的方式，然而現(xiàn)今材料化學(xué)中的化合物種類繁多，現(xiàn)有的簡(jiǎn)單模型已經(jīng)不能滿足日常教學(xué)的需要，因此在教學(xué)過(guò)程中學(xué)生很難理解部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)的化合物及其反應(yīng)機(jī)理。如何將材料化學(xué)中的結(jié)構(gòu)形象化、具體化是提高該課程效率的關(guān)鍵。隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，計(jì)算化學(xué)作為一門新興學(xué)科在生物、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[1-2]。傳統(tǒng)的物理、化學(xué)研究方法面臨著周期長(zhǎng)、設(shè)備復(fù)雜、資金不足等問(wèn)題，而模擬計(jì)算從量子力學(xué)角度進(jìn)行材料結(jié)構(gòu)與性能研究，被認(rèn)為是揭示微觀機(jī)理與加速宏觀研究的有效手段。當(dāng)前，模擬計(jì)算已經(jīng)大規(guī)模的應(yīng)用在科學(xué)研究中。在眾多模擬軟件中，Materialstudio(MS)具有友好化的Wiondows操作界面，可以將微觀結(jié)構(gòu)立體化，使得原本抽象的結(jié)構(gòu)具有可操作性，同時(shí)它能夠解決很多宏觀上難以觸及的問(wèn)題，諸如：分子軌道、偶極矩、分子間作用力、熱力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程機(jī)理等。將MS應(yīng)用在材料有機(jī)化學(xué)的教學(xué)中，可以將課本理論與實(shí)體化的反應(yīng)歷程結(jié)合，提高學(xué)生的理解力，形成長(zhǎng)效記憶。下面筆者將從材料有機(jī)化學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀、模擬軟件介紹以及模擬計(jì)算用于材料有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的實(shí)例展開詳述。

2材料有機(jī)化學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

材料有機(jī)化學(xué)課程的服務(wù)面大，基本是生物、化學(xué)、化工、醫(yī)藥等專業(yè)的必修課程之一，對(duì)本科生后續(xù)課程學(xué)習(xí)乃至科研工作都起著關(guān)鍵作用。然而對(duì)于多數(shù)學(xué)生而言，該課程通常被認(rèn)為是一門可怕的、掛科率高的課程，部分原因是知識(shí)點(diǎn)分散且抽象化?，F(xiàn)階段，板書和幻燈片教學(xué)是眾多高校及科研院所的主要教學(xué)模式，缺少革新。正如國(guó)際化學(xué)聯(lián)盟化學(xué)教育委員會(huì)前主席所感慨的那樣[3]：“我們的許多教科書和教學(xué)方法都停留在過(guò)去的30~50年里，沒(méi)有太大的改變?！比欢橄蟮臅窘虒W(xué)使得學(xué)生在學(xué)習(xí)、理解該課程上出現(xiàn)了困難。學(xué)生難從本質(zhì)上理解材料化學(xué)涉及的微觀結(jié)構(gòu)、分子間作用力、反應(yīng)機(jī)理，從而覺(jué)得有機(jī)化學(xué)是一門枯燥乏味的理論課程。在研究材料有機(jī)化學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀中，渥太華大學(xué)化學(xué)教授艾莉森·弗林發(fā)現(xiàn)學(xué)生很不擅長(zhǎng)對(duì)長(zhǎng)鏈有機(jī)物進(jìn)行命名，同時(shí)多數(shù)學(xué)生在思考反應(yīng)機(jī)理時(shí)，很隨意的將電子從一個(gè)分子分配給另一個(gè)分子，而不考慮這些分子之間化學(xué)鍵的限制。弗林教授歸其原因是學(xué)生不能將材料分子的空間結(jié)構(gòu)繪制出來(lái)，從而無(wú)法理解成鍵規(guī)則。總結(jié)而言，現(xiàn)階段的有機(jī)學(xué)習(xí)教學(xué)中主要存在以下問(wèn)題：(1)單靠閱讀書本，學(xué)生很難構(gòu)思出三維立體的分子結(jié)構(gòu)；(2)抽線的理論知識(shí)使得學(xué)生無(wú)法從本質(zhì)上理解反應(yīng)機(jī)理，從而加劇對(duì)有機(jī)化學(xué)課程的厭學(xué)情緒。值得一提的是，特別是進(jìn)入冠狀病毒病大流行的特殊時(shí)期，晦澀抽象的材料化學(xué)在遠(yuǎn)程教學(xué)中面對(duì)著更大的挑戰(zhàn)。

3分子模擬及模擬軟件簡(jiǎn)介

盡管如此，新挑戰(zhàn)也預(yù)示了新契機(jī)。現(xiàn)今隨著計(jì)算化學(xué)的飛速發(fā)展，分子模擬被認(rèn)為是一種提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)興趣的有效手段。諸如：Gaussian、Vasp、CP2K、Materialstudio等，這類模擬軟件均基于一系列的半經(jīng)驗(yàn)公式，包含密度泛函以及從頭算方法等，被廣泛的應(yīng)用于材料有機(jī)化學(xué)中的微觀結(jié)構(gòu)解析以及反應(yīng)機(jī)理探究，其在數(shù)字教學(xué)中或?qū)l(fā)揮巨大作用。渥太華大學(xué)弗林教授他們借助可視化的OrgChem101模擬計(jì)算程序幫助學(xué)生了解化學(xué)語(yǔ)言和符號(hào)，并掌握長(zhǎng)鏈有機(jī)物的命名及成鍵規(guī)則。此外，新加坡國(guó)立大學(xué)的化學(xué)教育者最近開發(fā)了一種方法，將化學(xué)模擬軟件融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改進(jìn)了當(dāng)?shù)氐慕虒W(xué)策略。在國(guó)內(nèi)，安徽醫(yī)科大學(xué)提出將Gaussian模擬軟件用于波譜分析的教學(xué)，利用模擬光譜有效區(qū)分出手性對(duì)映異構(gòu)體[4]。此外，重慶文理學(xué)院采用化學(xué)模擬軟件輔助反應(yīng)機(jī)理的教學(xué)也取得很好成果[5]。然而如何融合模擬計(jì)算更形象的呈現(xiàn)材料有機(jī)化學(xué)中的抽象模型，相關(guān)報(bào)道較少，亟需我們進(jìn)行深入的研究探討。筆者自高校工作以來(lái)一直從事材料有機(jī)化學(xué)的教學(xué)科研工作，對(duì)材料化學(xué)課程的現(xiàn)狀以及突破點(diǎn)有一定的理解，因此提出以模擬軟件輔助材料有機(jī)化學(xué)的教學(xué)模式。BIOVIAMS擁有一套完整的建模和模擬環(huán)境[6]，包括：量子力學(xué)、分子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、介觀動(dòng)力學(xué)等，旨在讓材料科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的研究人員預(yù)測(cè)和理解材料的原子和分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)及其表現(xiàn)出的宏觀性能。眾多科研人員正在利用MS軟件設(shè)計(jì)開發(fā)各種類型材料，包括催化劑、聚合物、復(fù)合材料、金屬、合金、制藥、電池等。本文筆者將闡述自己在材料有機(jī)化學(xué)教學(xué)中，采用理論模擬輔助教學(xué)的一些實(shí)例，包括發(fā)展三維立體教學(xué)，通過(guò)MS這一可視化模擬軟件，在線搭建三維長(zhǎng)鏈分子及其空間構(gòu)型，更直觀的獲取材料分子的結(jié)構(gòu)信息；為化學(xué)反應(yīng)提供可視化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，讓學(xué)生對(duì)反應(yīng)歷程、過(guò)程機(jī)理有本質(zhì)性的理解。實(shí)踐證明，將模擬軟件融入材料化學(xué)的教學(xué)中，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，提高了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的深入理解。

4軟件模擬在材料有機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

4.1分子三維結(jié)構(gòu)的在線搭建及其空間結(jié)構(gòu)分析

在材料有機(jī)化學(xué)課程中，分子結(jié)構(gòu)、同分異構(gòu)體以及立體異構(gòu)體等是一個(gè)重要概論。初次接觸的學(xué)生往往會(huì)由于缺乏空間想象力，而無(wú)法在腦海中操縱、旋轉(zhuǎn)復(fù)雜這些結(jié)構(gòu)。利用MS中Visualize模塊可以繪制分子的微觀結(jié)構(gòu)以提升學(xué)生對(duì)空間想象力的培養(yǎng)。圖1可視化的有機(jī)分子及其空間結(jié)構(gòu)Fig.1Visualizedorganicmoleculesandtheirspatialstructure如圖1a中，我們可以看到不同雜化方式的碳原子，并且能夠從三維角度觀測(cè)它們的空間構(gòu)型。再如，判斷同分異構(gòu)體的構(gòu)象是教學(xué)中的一個(gè)重難點(diǎn)。我們知道同分異構(gòu)體是由于分子中單鍵的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生了相同原子而不同排列形式的構(gòu)象，同分異構(gòu)體間的化學(xué)性質(zhì)截然不同。如圖在1b-c中，如何判斷1,2-二氯代丁烷兩種同分異構(gòu)體的內(nèi)內(nèi)消旋性？MS模擬軟件可以輕松解決該教學(xué)問(wèn)題。首先通過(guò)在MS繪制出1,2-二氯代丁烷的兩種空間構(gòu)象，可以清楚看到圖1c中的對(duì)稱性是由不對(duì)稱性的碳原子引起，因此具有內(nèi)消旋性，即為(2R，3S)1,2-二氯代丁烷。以上僅僅是簡(jiǎn)單分子的繪制，MS的功能強(qiáng)大在于它特別適用于復(fù)雜分子的繪制，如碳納米管、C60、石墨烯等，如圖1d。MS可以自定義的繪制任何有機(jī)物質(zhì)，該軟件的工具欄提供了多種雜化方式的碳鍵，方便在教學(xué)中隨意的切換。利用該套繪制分子空間結(jié)構(gòu)的功能，學(xué)生能夠從不同角度觀察分子的空間結(jié)構(gòu)及成鍵方式，從而輕松解決材料化學(xué)中涉及鍵長(zhǎng)、鍵角、軌道、電荷分布以及原子共平面等問(wèn)題。通過(guò)在線搭建不同空間構(gòu)型的有機(jī)化學(xué)分子，學(xué)生甚至可以遠(yuǎn)程親手操控、旋轉(zhuǎn)、增減該結(jié)構(gòu)，加深對(duì)雜化理論以及同分異構(gòu)的理解，極大增強(qiáng)對(duì)材料有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。

4.2模擬計(jì)算分子間作用力

分子間作用力是指作用于原子和它相鄰粒子之間的引力或斥力。分子間力相對(duì)于分子內(nèi)力來(lái)說(shuō)是很微弱的，主要包括氫鍵、配位鍵、范德華力、共價(jià)鍵、色散力等。深入理解分子間作用力對(duì)于材料有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)非常重要。這里筆者將以氫鍵為例，闡述模擬計(jì)算在識(shí)別氫鍵中的有效作用。氫鍵指的是一個(gè)氫原子與一個(gè)電負(fù)性高的元素(通常是氮、氧或氟)以共價(jià)鍵的形式結(jié)合，鍵能介于成鍵作用和非鍵作用之間，常被描述為偶極-偶極鍵的一種極端形式。實(shí)際中，氫鍵的形成需要滿足一定距離和角度要求。如何判斷是否有氫鍵形成以及氫鍵形成的數(shù)量是判斷材料穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵。在模擬計(jì)算中，通常根據(jù)以下兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氫鍵形成的判斷(圖2a)：(1)施體(指與氫原子成健的原子)與受體(指與氫原子形成氫鍵的原子)之間的距離小于等于0.35nm；(2)氫原子-施體-受體之間的夾角小于等于30度。為進(jìn)一步在課堂上使氫鍵可視化，我們創(chuàng)建了水分子(圖2b)，可以看到幾何優(yōu)化后的水分子氫氧鍵長(zhǎng)為0.96?，鍵角約為104.5度。而后構(gòu)建1.0kg/m3的水盒子，能量最小化后計(jì)算出氫鍵分布。圖2b中氫鍵用藍(lán)色虛線表示，可以清楚看到中間水分子形成了3個(gè)氫鍵，進(jìn)一步計(jì)算顯示，水相中每個(gè)水分子約可形成3.5個(gè)氫鍵，跟文獻(xiàn)報(bào)道一致。同時(shí)該模擬計(jì)算也給出了體系內(nèi)的范德華及靜電作用能分別為27.5kcal/mol，-150.9kcal/mol。MS為體系分子間作用提供了可視化的分析方法，在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)該套算法搭建分子間微觀作用力與材料宏觀性能之間的匹配性關(guān)系，將材料有機(jī)化學(xué)教學(xué)提升至一個(gè)新的高度。

4.3催化反應(yīng)過(guò)渡態(tài)計(jì)算

過(guò)渡態(tài)理論認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)中原子排列位置的變化是連續(xù)的，從反應(yīng)物到生成物中間存在一個(gè)中間體，即過(guò)渡態(tài)，該中間體與反應(yīng)物的能量差為反應(yīng)活化能(圖3a)。催化劑的加入能有效降低該活化能，使得化學(xué)反應(yīng)更易進(jìn)行。為了更直觀的描述催化反應(yīng)過(guò)程，筆者常用MS中的量化計(jì)算輔助課程講解，使得原本抽象的催化反應(yīng)歷程具有可視化效果。甘油催化裂解是筆者在教學(xué)課堂中常舉得一個(gè)例子。眾所周知，甘油蒸汽在沒(méi)有催化劑的情況下十分穩(wěn)定，解離能很大，但是在Co催化作用下，其裂解活化能得以有效降低。為了探討甘油蒸汽在Co0和Co2+界面處的轉(zhuǎn)化過(guò)程，采用量子力學(xué)模擬計(jì)算甘油催化裂解。如圖3b，計(jì)算過(guò)程中，由于能量最小化的驅(qū)使下，甘油分子最終停留在Co0和Co2+界面處，此時(shí)體系最穩(wěn)定。隨后根據(jù)公式計(jì)算出甘油四步裂解過(guò)程中的能壘數(shù)值，并繪制過(guò)程階梯圖，如圖3c。根據(jù)該階梯圖，我們能清晰的看到甘油分子在界面處的裂解催化所需的能壘最低，即表明此反應(yīng)最容易發(fā)生。材料化學(xué)教學(xué)中通過(guò)該實(shí)列的操作展示，學(xué)生可以更直觀的看到化學(xué)反應(yīng)是如何一步一步進(jìn)行的，并且了解每一步都需要克服反應(yīng)能壘，加深對(duì)催化反應(yīng)及過(guò)渡態(tài)理論的理解。反應(yīng)步驟一：CH2OHCHOHCH2OH→CH2OHCHOHCHO*+H2反應(yīng)步驟二：CH2OHCHOHCHO*→CH2OHCH2OH+CO*反應(yīng)步驟三：CH2OHCH2OH→CH3CHO*+H2O反應(yīng)步驟四：CH3CHO*→CH4+CO*

5結(jié)束語(yǔ)