从固体化学到凝聚态化学

“凝聚态化学”是化学学科一个新的发展领域,其基本思想是超越分子和理想晶体的界限,多层次地研究物质的组成、结构、性质、制备以及它们之间的关系。本文简要回顾了从固体物理到凝聚态物理的历史以及固体化学的发展历史,分析了固体化学的学科特点,指出固体化学的发展必然孕育着“凝聚态化学”的形成,同时指出,化学学科中的多个领域也都会将“凝聚态化学”作为自己的发展方向。建议了从固体化学向“凝聚态化学”发展的途径:完善固体化学学科的知识体系,拓展固体化学的知识范围,创造“凝聚态化学”的标志性成果。最后强调,与凝聚态物理学家密切合作,共建“凝聚态科学”大厦。     

生物矿化中的凝聚态化学

不同于研究体相或分子与分子之间的常规化学,凝聚态化学重点关注的是多层次结构的凝聚态物质,主要研究凝聚态物质的化学性质与功能、构筑机制、凝聚态物质之间的反应以及结构与功能间的关系,也是生物矿化研究中特别感兴趣的科学问题。生物矿化是通过有机基质调控无机矿物的生成,构筑具有多层次结构和特殊功能(如保护、传感和运动等)的生物凝聚态物质。研究生物矿化中的化学构筑与结构-功能关系,通过仿生矿化可以设计并制备具有类生物矿物结构和先进功能的仿生凝聚态材料。本文从凝聚态化学的角度介绍生物矿化和仿生矿化领域的概况以及取得的重要成果和新认识,重点综述了本课题组近年来受生物矿化启发,基于无机离子寡聚体的仿生新材料构筑和功能方面的研究成果。相信生物矿化将为新兴凝聚态化学的研究和发展提供良好参考,同时从凝聚态化学的新高度看待和指导生物矿化,也将促进生物矿化研究走向新的台阶。     

高分子凝聚态结构与化学

高分子凝聚态的研究是高分子科学中的重要内容,在高分子凝聚态的形成机制及对宏观物理性能的影响方面已形成了较为系统的理论和应用实践基础,但在高分子凝聚态的化学性质方面虽有较多的研究工作,却鲜有系统性的归纳总结。凝聚态化学概念的提出,有助于科研人员更深入、系统地研究高分子聚集态结构与其化学性质之间的关系及相关规律。本文以高分子凝聚态为讨论对象,对高分子凝聚态化学性质的一些代表性研究工作进行了归纳和整理,内容包括:(1)高分子结构化学对高分子凝聚态的影响;(2)高分子凝聚态结构对进一步化学反应的影响;(3)高层级凝聚态的化学性质及其对化学反应的影响。希望通过对上述研究工作的实例分析和探讨,为科研人员从化学性质变化的角度去理解和开展高分子凝聚态的研究提供一些参考和启示。     

大气“霾化学”:概念提出和研究展望

大气污染是人类面临的重大环境挑战。我国大气污染具有高度的复合污染特征,其形成过程既有高强度的颗粒物均相成核现象,又有多介质非均相致霾过程,同时耦合了强的大气氧化性以及O₃污染,是不同于洛杉矶光化学烟雾和伦敦烟雾的新型“霾化学”烟雾污染。“霾化学”区别于并突破现有的理论认识,是解析我国典型多介质复合污染环境下PM_2.5成因以及PM_2.5与O₃污染间非线性复杂关系,综合研究气、液、固多介质非均相过程的大气污染化学。研究“霾化学”过程对精准控制我国乃至其他国家大气复合污染意义重大。本文提出和总结了大气“霾化学”概念,并对“霾化学”理论的完善和发展进行了展望。     

液态凝聚态调控的分散质组装及功能

凝聚态化学是研究利用分子间作用力构筑凝聚态物质多层次结构实现物质功能和化学反应的新研究领域。相比于固态凝聚态化学,液态凝聚态化学研究涉及多相态,如液态凝聚态如何影响分散质的存在状态和功能特性等重要课题。从凝聚态化学的角度认识分散质在其中的聚集行为不但有利于获得预期的分子存在结构状态,而且可以探索环境条件对组装结构形成的过程认识。本文在对液态凝聚态的物理化学性质,尤其是与溶质分散和聚集相关方面进行简要概述的基础上,选取典型示例分别阐述了液态凝聚态在分散质组装过程、组装与解组装以及组装体结构转变等方面的作用。在液态凝聚态对物质性质影响方面,从其对染料分子的紫外-可见吸收、电子转移、手性调控以及催化等几个方面进行了讨论。在这些过程中,作为连续相的液态凝聚态的介电常数、极性以及黏度等性质对于分散相的存在状态和性质起到了关键作用。然而,受现有仪器检测范围的限制,液态凝聚态与分散质之间的快速、多变且细微的作用力很难在时间和空间上进行准确测定,而从实验和理论两个方面进行相互拟合来说明液态凝聚态的作用是一个重要且行之有效的策略。     

多金属氧酸盐及其溶液自聚集行为研究进展

多金属氧酸盐(POM)是一类由过渡金属与氧原子桥连而成的阴离子簇合物,由于其特殊的分子结构及优异的物理化学性质,使其在催化、医药、材料科学、表面化学、超分子化学等领域有广泛的应用价值。 POM在稀的水溶液中能够发生自聚集,形成类似两亲分子溶液中的“有序聚集体结构”,赋予其新的结构和性质,以期开发出新型纳米器件及在催化、药物等领域得到应用。 本文介绍了POM的主要结构、性质和近年来的应用,阐述了其在溶液中自聚集行为的研究状况和新进展。     

手性催化与合成中的一些凝聚态化学问题

凝聚态化学作为一门研究化学反应中凝聚态物质的科学,最近引起了化学界的广泛关注。从手性化学角度出发,本文列举了近年来手性催化与合成中的一些凝聚态化学现象,分类介绍了不对称催化反应中不同类型的凝聚态物质,并通过列举实例分析讨论了凝聚态物质的具体组成、层次结构等因素对反应的催化活性、对映及区域选择性控制影响,以望能引起业界对凝聚态科学的关注,启发更多学者从凝聚态化学角度思考有机化学反应本质并解决相关问题,完善凝聚态科学体系。     

基于全散射技术局域结构确定与凝聚态物质

原子或分子的堆积方式和元素分布是凝聚态物质的核心问题,而局域结构的精确测定则为揭示原子堆积方式和元素分布提供了重要手段。获得与化学成键直接关联的局域结构信息,是人们认识化学反应,理解功能材料设计结构本质的重要依据。基于全散射技术的原子对分布函数方法(PDF),通过考虑原子对间距的空间分布规律,为具有不同结晶状态和团聚方式的凝聚态体系提供了全尺度的结构信息。本文从介绍全散射和原子对分布函数方法的理论基础出发,根据凝聚态物质的聚集形态差异和结构化学特点,列举了近年来在研究凝聚态物质的原子对分布函数过程中,结合原位温度场、反向蒙特卡洛等方法获得的物质局域结构信息和短程到长程的结构演变。通过分析局域结构与长程结构的对比差异,从局域尺度的视角为研究凝聚态物质的化学反应、功能物性优化和外场响应提供了新的思路。     

用于分离油水乳液的先进材料

海洋原油泄漏事故的频发以及工业污水排放量的日益增加,给生态环境和人类健康造成了巨大的威胁,因此,开发应用于油水分离的先进材料是重要的研究任务。相较于不混溶的油水混合物,油水乳液(也称为乳化油水)的分离是一个更加艰巨的挑战。本文以分离油水乳液的材料作为研究体系,首先从本质上分析了油水乳液的形成机理以及分离原理,强调了“尺寸筛分”效应和膜破乳技术的重要性;然后从基材的角度全面介绍并讨论了常用于分离乳化油水的先进材料的最新进展,详细阐述了各种不同改性方法在油水分离领域中的应用。对材料进行改性的出发点是“合适的孔径”以及“特殊润湿性能”,并能满足优异的分离能力、渗透能力、抗污染能力、机械能力和稳定性,而这些性能在实际的分离操作中是非常关键的。环境系统在未来会变得越来越复杂,真实环境下的油水乳液大多含有较多的污染物,而且分离条件大多较苛刻,因此油水分离材料需要不断地改进,以满足这样的条件。我们相信,未来能在苛刻条件下高效分离多种油水乳液和其他杂质的多功能性先进材料会有巨大的应用前景。     

“蛋黄蛋壳”结构纳米电极材料设计及在锂/钠离子/锂硫电池中的应用

“蛋黄蛋壳”结构纳米材料,具有易于调控的“蛋黄”、“蛋壳”和“空腔”结构,可视作“纳米反应器”,在催化、储能等领域表现出显著的应用潜力。尤其在电化学能源存储和转换方面,该结构纳米电极具有大的比表面积和独特的核壳结构,在充放电过程中可缓解电极的体积变化,提供快速的离子/电子输运通道,强化中间产物的吸附和提升转换反应效率等,能显著提高电极稳定性、倍率性能和循环性能,是一类较为理想的电极材料。本文针对“蛋黄蛋壳”结构纳米电极在锂/钠离子电池、锂硫电池等新兴二次电池领域的实际应用,总结了具有该结构纳米电极的设计与合成策略,包括:模板法、奥斯特瓦尔德熟化、电化学置换、克肯达尔效应等,评述了各种策略的优缺点以及电极材料的应用进展,最后对该类材料在锂/钠体系及锂硫电池二次电池方面的研究与应用前景进行了展望。     

CASSCF study into the mechanism for predissociation of the allyl radical

A theoretical study has been carried out on the allyl radical in its ground and first excited electronic states. Complete active space self‐consistent field (CASSCF) calculations show the presence of a conical intersection between the ground and first excited electronic states (～400 cm^?1 above the adiabatic excited state energy), reached by decreasing the C? C? C angle and twisting the C? C bonds. The presence of this conical intersection provides a likely explanation for the very rapid predissociation in the excited electronic state. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. Int J Quantum Chem, 2006     

Data driven temperature dependence of EOS parameters

Using three kinds of experimental data (p_c, V_c and T_c at the critical state or P_s, V_s^v and V^sL at different temperatures for saturation data) three parameters of the EOS may be directly determined and the temperature dependence of the parameters may be established from thermodynamic conditions of vapour-liquid critical point or vapour-liquid phase equilibria respectively. The principle was demonstrated on the BACK EOS. Examples of argon and n-alkanes were used to demonstrate the idea. It was found, that there are two parameter sets of the BACK equation that satisfy the critical or saturation conditions for certain pure compounds. The BACK equation is able to reproduce experimental Z_c values for compounds above Z_c = 0.2764 (that is, for argon, methane, ethane), but it is improper for higher alkanes. In case of n-alkanes we found that there is no simple function for T dependence of BACK parameters. Parameter values obtained in the way demonstrated may be useful to give initial values for parameter estimation from experimental (e.g., VLE) data.     

Synthesis and crystal structure of mixed metal(III) tungstenyl(VI) ortho-pyrophosphates

The series of isotypic anhydrous ortho-pyrophosphates M^III(W^VIO₂)₂(P₂O₇)(PO₄) (M: Sc, V, Cr, Fe, Mo, Ru, Rh, In, Ir) was obtained via vapor phase moderated solid state reactions in sealed ampoules. The crystal structure of the phosphates M^III(W^VIO₂)₂(P₂O₇)(PO₄) (M: V, Ru, Rh) was solved from single crystal X-ray data (C2/c, Z = 16). Fairly regular MO₆ and distorted WO₆ octahedra share vertices with PO₄ and P₂O₇ units to form a 3D network. For the ortho-pyrophosphates with M: V³⁺, Cr³⁺, and Fe³⁺ the oxidation state of M is confirmed by magnetic measurements. ³¹P-MAS-NMR spectra of the diamagnetic phosphates M^III(W^VIO₂)₂(P₂O₇)(PO₄) (M: Sc, In, Ir) show surprisingly different isotropic chemical shifts for the seven phosphorus sites. V^III(W^VIO₂)₂(P₂O₇)(PO₄) occurs as equilibrium phase in the quasi-binary system (V_1–xW_x)OPO₄ at x = 0.67 and exhibits a small homogeneity range 0.60 ≤ x ≤ 0.67. The scandium compound shows a fully inverted occupancy of the M sites according to the formulation W(Sc_1/2W_1/2O₂)₂(P₂O₇)(PO₄).     

固态化合物中铕的价态研究进展

介绍了近年来关于变价稀土元素Ｅｕ价态研究的最新进展,总结了Ｅｕ＾２＋的价态稳定和转换及其与基质结构,取代离子半径电荷,共掺杂稀土离子电子构型之间的关系和规律。     

图案化基底上液滴的挥发行为

采用液滴形状分析仪, 在线跟踪了液滴在图案化基底上的挥发过程. 结果表明, 与平滑基底结果相比, 图案化基底上的挥发过程明显不同. 首先, 接触角减小; 另外, 由于发生了Cassie态到Wenzel态转变, 所得接触直径在减小过程中产生了一个突然变大的阶段. 在该挥发过程中, 突起部分的面积分数扮演了十分重要的角色.     

联苯桥联的聚对苯乙烯撑齐聚物基态、激发态的结构与光电性能

用密度泛函理论(DFT)和单激发(CIS)方法分别对几种联苯桥联的聚对苯乙烯撑(PPV)齐聚物分子的基态结构和激发态结构进行全优化, 得到基态与激发态分子的最优几何构型和前线分子轨道, 并用半经验ZINDO(Zerner's intermediate neglect of differential overlap)和含时密度泛函(TD-DFT)方法分别计算了各自的吸收光谱和发射光谱, 分析了随着联苯链的增长前线分子轨道能级和能隙的变化以及对光电性能的影响. 结果表明, 联苯链的加长对吸收和发射性质影响不大, 但在分子结构上由于PPV 齐聚物(发光中心)链间交叉链内扭曲的构象越来越明显, 降低了分子的平面性和对称性, 减弱了这类共轭分子在固体中的π-π堆积作用, 这可能是减少荧光猝灭效应, 提高固体发光器件荧光量子效率的主要原因.     

Solid phase reactivity of sodium oxosalts of manganese

The observed relationships are presented of the solid phase reactivity of the following salts: NaMnO₄, Na₂MnO₄, Na₃MnO₄, Na₄MnO₄, Na₂MnO₃, Na₂Mn₂O₅, Na₅MnO₄, Na₄Mn₂O₅, NaMnO₂, Na₄MnO₃, Na₂MnO₂ and Na₂Mn₂O₃.     

HeNa及HeNa~+光谱的理论研究

利用从头算Molecule-UHF程序计算得到HeNa分子的基态~2∑3s及激发态~2∏3p和HeNa~+的~1∑2p、~3∑3s及~t∑3s态的势能曲线,并在此基础上利用自编的程序计算了态-态间光谱跃迁的Franck-Condon因子.结果说明HeNa分子的基态是不稳定的,激发态2∏3p有一个较浅的势阱,HeNa~+的1∑2p有一个较浅的势阱,而~3∑3s态及~t∑3s态分别存在一个很深的势阱.     

An equation of state for melts of linear homopolymers

We analyze the capability of the continuous Gaussian chain model to describe melts of linear homopolymer chains. We derive the equation of state of a system of n interacting chains by including long chain correlations by means of the one loop diagrams. These correlations which give rise to two combinations of the molecular parameters are found to be necessary for the proper quantification of pressure-volume-temperature (PVT) behaviour of the melts. The adjustment of the value of the prefactor of the small density term which is in accord with the liquid character of polymeric melts lead to a complete agreement between the experimental results and the outcomes of the theory. The proper dependence on the molecular weight is also predicted and isotherms of narrow distribution polystyrenes of three different molecular weights are used for the evaluation of the molecular parameters.     

OCS分子单重态和三重态结构的密度泛函理论研究

OCS是大气同温层中唯一的硫化物，与CS2、N2O和CO2等一样都是具有16个价电子的闭壳层分子，这些典型三原子分子的电子结构与性质一直为理论和实验工作者所关注。尽管它们只是简单的三原子分子，但仍有一些性质不为人所知。目前还未见有关OCS分子电子结构与性质的研究报道。