探索介尺度科学:从新角度审视老问题

本文介绍了国家自然科学基金委员会重大研究计划"多相反应中的介尺度机制及调控"的立项背景、聚焦的科学问题,以及该计划对化学工程的发展和介尺度科学的形成可能产生的影响.研究认为,介于分子/原子和宏观材料之间的物相或表界面结构及介于颗粒(气泡、液滴)和单元化工设备之间的非均匀结构是实现物质转化工艺过程定量设计、放大、优化和调控的瓶颈问题.这两个介尺度问题及其跨层次的关联是当代化学工程科学的核心,这些问题的解决将大大促进化学工程及相关学科由经验向量化过渡,并为逐步形成具有学科交叉特色的介尺度科学作出贡献.     

化学工程学科发展及战略研究

化学工程学科经过百年发展,经历了"单元操作"、"三传一反"两个里程碑,进入"产品工程"、"三传一反+X"、"多(介)尺度理论与方法"等新阶段,初步形成了以化学、物理学、数学和生物学基本原理和方法为基础,以传递过程原理与化学反应工程为核心的学科知识体系.我国在化学工程学科建成了良好的学科研究平台和队伍.应用基础研究进展显著,论文发表数量及引用评价影响等方面已与美国并列站在最高水平线上.对国民经济支柱产业发展也做出了重要贡献.通过分析美国基金委员会近10年资助的化工重点领域,以及对AIChE Journal、Chemical Engineering Science、IndustrialEngineering Chemistry Research三大化工主流刊物关键词索引汇聚研究,并结合国家自然科学基金委员会"十二五"化工学科发展规划,归纳出了化学工程学科发展的三个层次:学科基础、交叉前沿领域、重大需求,共计15个重点领域方向.建议化学工程学科应优化自身理论体系、完善学科评价体系、争取"工程转化"环节的多方支持.     

理论化学与下世纪“化学学科重组”前瞻

本文展望了理论化学的发展趋势并预言了下个世纪“化学学科的重组”。作者建议了现代化学的定义：化学是研究从原子,分子片,分子,超分子,生物大分子到分子的各种不同尺度和不同程度的聚集态的合成和反应,分离和分析,结构和形态,物理性能和生物活性及其规律和应用的科学． 根据这个定义,从化学的研究对象不同,在２１ 世纪化学分支学科可能发生重组,因此化学可以划分为如下八个层次：１） 原子层次的化学; ２） 分子片层次的化学; ３） 分子层次的化学; ４） 超分子层次的化学; ５）生物与分子层次的化学; ６） 宏观聚集态化学; ７） 介观聚集态化学和８） 复杂分子体系的化学     

学科能力导向的“物质构成的奥秘”教学研究

以王磊提出的化学学科能力框架为理论依据,对“物质构成的奥秘”主题进行分析,从核心知识经验、认识角度思路、认识对象及问题、能力活动要素等4个维度构建了“物质构成的奥秘”主题的学科能力模型。运用实验法进行教学实践,证实了本研究设计的教学方式更有利于学生学科能力的发展提升。最后提出学科能力导向的“物质构成的奥秘”教学设计模式和教学实施的有效策略:(1)单元整体系统化设计,有层次有梯度的发展学生学科能力;(2)侧重应用实践型任务的解决,外显知识的输出性功能和价值;(3)重视核心知识和认识角度的建立过程;(4)追问、外显学生的认识角度和认识思路。     

前言:分子机器专刊

<正>“分子机器”是由多个分子尺度的单元通过机械互锁构成的动态功能分子,其动态可控特性可调控各级尺度下物质功能并创造新物质. 2016年诺贝尔化学奖授予了让-皮埃尔·索维奇(Jean-Pierre Sauvage)、J.弗雷泽·斯托达特(Sir J. Fraser Stoddart)和伯纳德·L·费林加(Bernard L. Feringa)三位科学家,以表彰其设计并建造了最小的机器——“分子机器”.     

分子组装理论基础的探究——现状与机遇

分子组装是在分子以上层次创造新物质、产生新功能的重要手段.提升分子组装过程的可控性和组装体功能性是该领域的核心目标,但由于研究复杂分子组装体系的手段和理论的匮乏,迄今绝大部分研究只能限于了解组装过程始末的“黑箱”模式,这成为该领域的发展瓶颈之一.本文围绕分子到亚细胞层次的分子组装体系及其理论方法与模型,尝试将物质、能量与信息作为度量分子组装研究复杂性的三个维度,从简单到复杂地逐级剖析探讨分子组装的理论研究现状、机遇和突破口.首先,在物质维度上揭示分子组装过程呈现多路径、多阶段和多尺度等复杂性;进而在物质基础上引入能量维度,阐明熵驱动或熵焓互补现象普遍存在于分子组装体系中,并探讨远离平衡态的分子组装体系如何产生时空有序的功能耗散结构;继而在物质与能量基础上引入信息维度,探讨分子组装信息网络中的正、负反馈协同,以及如何促使系统涌现出复杂的生理功能.为了突破分子组装理论研究的瓶颈,似乎亟需建立更大的框架.从物质、能量和信息的三个维度协同研究,有望系统深入认知组装规律,进而建立新理论,发展高效精准的调控手段,提升分子组装体系的复杂性和功能性,并可能为生命科学和软物质科学提供新视角和新方法.     

庆祝闵恩泽院士90华诞专刊

<正>为庆祝闵恩泽院士90华诞,表彰他对祖国科研教育事业的重大贡献,《中国科学:化学》编委会决定出版一期专刊.受《中国科学:化学》万立骏主编、田禾副主编和编辑部的委托,我作为特约编辑,组织出版"庆祝闵恩泽院士90华诞"专刊.鉴于闵恩泽院士的工作领域,本专刊侧重化学工程学科,同时兼顾基础性和前瞻性,指导思想是"以技术创新为目标,寻求新科学知识,新知识促进形成新技术生长点,工业实施后满足国家     

基础教育中化学“文化年龄”的划分——兼谈化学意识的建立

尝试描述基础教育化学学科中"文化年龄"的发展过程:变化意识—微观尺度意识—元素周期-反应原理意识—反应条件意识—系统意识。这既是对意识形成划分标准的一种尝试,也是对儿童化学意识建立过程的一种探讨。为了更清楚地描摹出基础教育课程与教学中学生意识的建立过程,以化学学科为例,将其"文化年龄"所对应的状态做出如下划分:变化意识、微观尺度意识、元素周期-反应原理意识、反应条件意识、系统意识。     

基于学科理解的“物质成分”大概念教学*

以“物质成分”大概念教学为例,基于学科理解,以探究物质成分的相关化学史为线索设计教学,引导学生在追溯“物质成分”相关概念、理论的发展过程中,逐渐建构物质成分的宏观、微观、宏微结合视角。并在解决探究物质成分的真实问题的过程中,培养学生基于证据进行推理的科学论证能力,通过认识视角的发展,体会科学理论是在不断发展和进阶的,初步建立科学发展观。     

国家重点实验室介绍之四化学工程联合实验室

化学工程联合实验室由精馏分离、萃取分离、固定床反应工程和聚合反应工程四个实验室联合组成,分别设在天津大学(天津)、清华大学(北京)、华东化工学院(上海)和浙江大学(杭州).由著名化工专家、学部委员清华大学汪家鼎教授任实验室主任和著名化工专家、学部委员、南京化工学院时钧教授任学术委员会主任. 化学工程是一个面向经济建设、广泛应用于多种工业的技术基础学科,是基础科学与工程技术之间的桥梁和纽带.它的主要任务是以物理、化学、物理化学、流体力学等学科为基础,研究在工业生产中实现物质和能量的转化与传递的规律,为生产过程的设计、放大、控     

亮点介绍

正不对称阴离子诱导配位的多位点吸附剂Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 130, 13145～13149在限域空间内构建具有不同功能的孔道结构,从而在分子尺度上实现更为复杂的操作一直是研究的热点.针对工业上复杂且性质相近的分离对象,浙江大学化学工程与生物工程学院邢华斌课题组基于不对称阴离子NbOF_5~(2-)与金属不同的配位键长,进一步与有机配体自组装形成有序的三维框架结构,构建了具有多重吸附位点的阴离子杂化     

面向储能应用的多尺度电极材料结晶设计

电化学储能过程包含固/气/液界面反应、分层次的传质和电荷传递过程,并涉及微观-介观-宏观的跨尺度问题等.电极材料的宏观电化学性能是不同尺度影响因素的综合表现.结晶是电极材料合成的重要过程,与电极材料的功能特性紧密相关,涉及原子分子成核和晶体生长过程,具有多尺度、多因素、多层次特征.本文从结晶角度,在微观、介观、宏观尺度...     

农林院校化学工程与技术学科研究生创新能力培养的探讨

针对当前农林院校化学工程与技术学科研究生在创新方面存在的问题,根据学科特点,以提高研究生的创新能力为目标,提出:要探索化学工程与技术学科新型研究生招生模式;完善研究生创新课程体系,建立新型培养模式;更新教师的教育观念,创造适宜的教学环境;建立严格健全的考核和评价制度;加强导师队伍建设;建立多方位、多层面的研究生奖助体系;加强国际合作与交流,从而创建化学工程与技术学科研究生创新能力培养的新体系。     

微化工过程研究进展

微化工过程是化学工程学科的研究前沿和热点方向之一,是实现化工过程安全、高效、绿色的重要途径.近年来,关于微化工过程的研究主要集中在微尺度多相流动与结构调控、微尺度混合与多相传递以及微尺度反应过程等方面,并且取得了显著的进展.本文主要针对以上几个方面的研究进展进行综述,分析总结了微化工过程的优势和特点,并对其未来的发展方向进行了展望.     

酶-光偶联催化系统中分子-电子-质子传递过程与机制（英文）

酶-光偶联催化系统(EPCS)集成了半导体的光吸收能力和酶的高活性/特异性,可模拟自然界光合作用实现太阳能驱动的有用化学品合成.作为EPCS中的“能量货币”,辅因子(如NAD(P)+和NAD(P)H)参与了约80%的酶促氧化还原反应,且在酶-光间充当物质/能量交换的枢纽.然而, EPCS涉及光催化和酶催化反应,涉及分子、电子和质子传递过程,属于典型的复杂多相反应,导致其光-化学转化效率与理论值差距较大.本文从微观尺度对EPCS中分子-电子-质子传递过程进行了理解和剖析,系统介绍了自然界光合作用和EPCS中的“新三传”(即质量传递、热量传递和动量传递)现象.与传统化工领域通过强化宏观尺度上“三传”提升单元操作过程效率的方法类似,本文总结并提出了通过协调优化“新三传”(即分子传递、电子传递和质子传递)来强化EPCS中物质-能量耦合关系,进而提升光-化学转化效率的新策略.其中,分子传递主要包括电子供体分子从反应液向催化剂传递以及辅因子分子在光催化模块和酶催化模块间穿梭;电子传递主要包括光生电子从其生成位点到光催化剂表面进而到电子媒介的传递;质子传递主要包括质子从溶液或催化剂表面向电子媒介的传...     

沟通表面化学和表面物理的桥梁——《表面化学物理》中译本简介

S.Roy Morrison 所著的《表面化学物理》(TheChemical Pysics of Surface)一书的中译本,已由北京大学出版社出版。这是一本对于新兴的表面科学的理论和实验方法的评论性专著。表面科学是介于表面物理和表面化学之间的一门边沿学科。它借助于近代最新物理方法,从物质的分子-原子水平上揭示固体表面的组成。结构和电子状态,进而深入地研究物质表面的特殊物理性质和化学反应的本质。这些不但使人们对于物质世界的理论认识提高到更高一级层次,而且在实践上为工业催化剂、半导体和材料科学等重大科技领域的新突破提供了可能性。     

分子模拟技术在石油相关领域的应用

分子模拟技术是近些年发展起来的一门新兴计算化学技术.它在辅助物质设计及分子结构理解方面所取得的一系列显著成绩使得它开始在与石油相关的油田化学、催化剂研制、高分子设计、化学工程以及重质油特征研究等方面有越来越广泛的应用.     

以实验和论证为杠杆撬动化学概念深度学习*——以“分子与原子”教学为例

以倡导“理解与批判、联系与构建、迁移与应用”的深度学习为理念,围绕“分子与原子的概念”比较教材与文献的设计思路,调整认知脉络,着力解决“概念学习过程中实验探究少,宏观现象进入微观分析的相关实验不匹配,忽略证据推理、变化观念与平衡思想核心素养”等不足。设计“3种形态的碘与淀粉的反应、H2O2溶液与品红反应、H2O2溶液的分解反应”3组实验,设置学生画分子模型、画H2O2分子分解的微观过程等活动,提炼“物质种类、分子种类、物质性质之间的关系是什么？你从实验中找到哪些证据支持观点？前2个单元的实验,还有哪些可作为论证的依据？”等问题,引发学生充分论证。“实验、活动、问题、论证”环环相扣,促成教学内容的有效结构化,通过化学概念的深度学习实现化学学科核心素养的发展。     

前言:超分子新物质创制专刊

<正>新物质的多层次创制为人类文明社会的发展提供了关键的物质基础,也是物质科学从实验室研究走向产业化和社会生活的必由之路.分子物质通过共价键连接原子而制备,而超分子物质则通过非共价键连接分子来构筑.相对于传统的共价键物质,超分子物质的构筑方式更为复杂,组装结构更为多样,     

化学工程:从基础研究到工业应用

本文介绍了我国中长期发展规划中所制定的化学化工学科发展目标,综述了化学工程学科近十余年来在队伍建设、平台建设和国家级奖励等方面所取得的成果,列举了若干化学工程在传递与过程强化、化工分离过程、精细与药物化工、能源化工和材料化工领域从基础研究到工业化应用的例子和成果,展望了化学工程学科今后发展的方向及目标.