基于创新能力培养的化学专业本科实验教学新体系的构建与实践

课程体系是人才培养的载体。为了更好地培养拔尖创新人才,南京大学化学国家级实验教学示范中心依据化学学科的特点和发展趋势,以科学内容的内在联系和研究规律为主线构建了“化学实验基础?化学合成与表征+化学原理与测量?化学功能分子实验+化学生物学综合实验+基于项目的研究实验”实验课程新体系,按照一流课程建设要求(高阶性、创新性和挑战度)对实验教学内容进行了优化,并建立起与之相适应的实验教学平台。新课程体系综合考虑了化学一级学科的整体性和关联学科的交叉性,在南京大学化学化工学院“拔尖计划”和“强基计划”学生中实施,教学效果显著。     

中学化学教学中的证据推理*

1没有证据的推理通过推理可以得出重要的结论,但是没有证据的推理往往是一种猜测,可能是臆造事实上不成立的问题;即使猜测的是事实,没有证据也不具有说服力。所以,中学化学中没有证据的推理学生难以理解,难以接受,甚至苍白无力。2没有推理的证据没有推理的证据是不借助理论思维、没有逻辑推理的事实或材料,是一些孤立的事实或材料,把握不了证据和结论之间的关系。在中学化学教学中缺少原理推导,使得化学知识之间难以组织,感觉是化学知识点较为零散,学习化学需要死记硬背。     

V掺杂ZnO透明导电薄膜研究

本文分别采用磁控溅射技术与基于密度泛函理论的平面波赝势方法两种方式, 对高价态差元素V掺杂ZnO薄膜进行研究. 实验研究结果表明: V的掺入并未改变ZnO的生长方式, 所制备的薄膜都呈(002)择优生长; 随着衬底温度增加, VZO薄膜的结晶质量逐步改善, 当衬底温度超过280 ℃时薄膜的结晶质量恶化; 在280 ℃时获得的VZO薄膜电阻率最低3.8×10^-3 Ω·m, 500-2000 nm平均透过率高于85%. 理论模拟结果表明: V以替位形式掺入ZnO六角纤锌矿晶格结构中, 费米能级进入导带, 材料表现出n 型半导体的特性, 导电电子主要由V 3d及O 2p电子轨道提供. 理论计算结果与实验结果的一致性, 表明VZO薄膜具有作为高效Si基薄膜太阳电池透明导电薄膜的应用潜力.     

基于氮杂Mn咔咯二维纳米材料的单原子Mn中心催化氧化烷烃制醇

咔咯是由四个吡咯共轭相连而形成的具有芳香性的新型卟啉类大环化合物,但咔咯分子中存在一个直接连结两个吡咯环的C?C键,与卟啉相比,仅仅是少了一个“meso”位置的C原子.因此,在结构上,咔咯含有三个“吡咯型”氮原子和一个“吡啶型”氮原子,当咔咯失去三个内氢原子后变成了三价阴离子,易与金属形成高价态的稳定配合物.氮杂咔咯是一种咔咯的meso位上的C被取代为N的咔咯衍生物.与正常的咔咯相比,它更易于与过渡金属形成稳定配合物.正是由于这些独特的结构特点,使其在金属催化、染料敏化太阳能电池、光敏剂、金属传感器、甚至在医学上都有很好的应用前景.金属有机大环均相催化剂的非均相化,是改进反应产物分离和实现催化剂循环使用的最简单有效方法之一.环境友好的Mn氮杂咔咯催化剂,在温和条件下可以利用氧气直接将有机底物氧化.本文选用Mn氮杂咔咯催化剂作为基本构建单元,通过理论计算,构建了一种新型的具有高催化活性的含Mn氮杂咔咯环结构单元的二维纳米催化材料.我们分别使用高斯软件(Gaussian 09)和维也纳从头算模拟软件包(VASP)对孤立分子和周期性体系进行结构优化以及性质的计算.在这种二维材料中,每一个Mn原子作为相对独立的金属单原子中心(SAC),保留了单环中Mn金属中心的高催化活性.在温和的光照条件下,Mn金属中心可以直接活化氧气生成类自由基[Mn]-O-O中心,随后[Mn]-O-O中心可以有效地通过夺取有机底物中的H和紧接着新生自由基的偶合反应,选择性氧化C?H键为C?OH键.另外,通过沿[Mn]-O-O反应轴施加不同强度的外电场,可对此二维纳米材料的催化反应活性进行精细调控.本文为实验上制备基于Mn氮杂咔咯的非均相催化剂以及单原子Mn基催化剂提供了理论依据.     

全无机卤化铅钙钛矿的结构、热力学稳定性和电子性质

有机-无机杂化卤化铅钙钛矿因具有独特的电子和光学特性,已经成为光电领域最有前途的材料。但是,有机-无机钙钛矿材料及器件稳定性差,限制了其实际应用。与杂化钙钛矿相比,全无机卤化物钙钛矿CsPbX₃(X=Cl,Br,I)显示出更强的热稳定性。全无机卤化物钙钛矿CsPbX₃具有多个晶型,在不同的温度下呈不同相结构。目前,关于CsPbX₃的结构和物理性质仍存在争议。本文我们针对三个晶相α-,β-和γ-CsPbX₃的结构,热力学稳定性和电子性质进行了全面的理论研究。第一性原理计算表明,从高温α相到低温β相,然后再到γ相的相变伴随着PbX₆八面体的畸变。零温形成能计算表明,γ相最稳定,这与实验中γ相为低温稳定相的结论一致。电子性质计算表明,所有CsPbX₃钙钛矿都表现出直接带隙性质,并且带隙值从α相到β相再到γ相逐渐增加。这是由于相变发生时,Pb-X成键强度逐渐减弱,使价带顶能量降低,进而带隙增加。在所有相中,α相结构中较强的Pb-X相互作用,导致了较强的带边色散,使其具有较小的载流子有效质量。     

氩原子基态波函数和能量的解析计算

以第一性原理和变分原理为基础,给出了氩原子基态波函数的一种解析表达式,计算了基态氩原子(含类氩离子)的能量,导出了所涉及的所有积分的解析表达式.对氩原子,所得到的能量理论值与实验值的相对误差为0.22%.     

氮化铂在高压下的相变及弹性性质的第一原理计算

用PBE形式下的广义梯度近似（GGA）赝势平面波方法研究了氮化铂的结构相变以及弹性性质,计算了氮化铂的氯化钠（B1）、氯化铯（B2）、闪锌矿（B3）、纤维矿（B4）等四种结构并应用高压下的焓与压强的关系,得出在常温常压下B4结构是最稳定的结构,这与Yu 等人得的结果一致,且 B4→B1及B1→B2的相变压强分别发生在36.7 GPa和 185.4 GPa,同时,研究了B4结构在高压的弹性性质,发现弹性常数、体模量、剪切模量、压缩波速、剪切波速以及德拜温度均随着压强的增大而单调增大     

浓度对Co掺杂ZnO的影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝式方法,详细研究了本征ZnO和Co掺杂ZnO的电子结构和光学性质。计算结果表明,Co掺入ZnO后,Co的大部分3d电子位于费米能级附近,O的2p轨道电子发生分裂,并进入费米能级与Co的3d电子发生杂化,价带电子向低能级端移动,带隙变大,但随掺杂浓度的增大这种现象并不明显。另外ZnO掺Co后,由于Co的3d电子的引入,使得吸收谱中出现新的吸收峰,并发生蓝移现象,这与实验得到的结果相一致;静态介电常数明显增大,但随掺杂浓度的增大基本保持不变。     

基于kinect和unity的虚拟手抓取碰撞检测算法

针对目前碰撞检测算法效率低精度差的问题,提出了一种改进的层次方向包围盒（OBB）算法。首先通过位置关系判断虚拟手是否在物体包围球的邻近区域,然后用OBB和八叉树算法进行详细的碰撞检测,最后利用离散点到虚拟手简化面的矢量计算法实现精确的碰撞检测。实验结果表明,随着三维物体基元数目的增多,这种由粗略到精确递进的检测方式极大的提高了碰撞检测的效率和精度,具有可行性。该算法适用于任何复杂场景中刚体结构模型的碰撞检测,在运行时候不存在滞后情况,显示流畅,而且碰撞检测精度高,完全能够满足虚拟环境实时性和精确性的要求。     

硅烯饱和吸附碱金属原子的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了硅烯饱和吸附碱金属元素原子的稳定性、微观几何结构和电子性质, 并与纯硅烯及其饱和氢化结构进行了对比分析. 研究发现复合物SiX(X=Li, Na, K, Rb)的形成能都是负的, 相对于纯硅烯来说可以稳定存在. Bader电荷分析表明, 电荷从碱金属原子转移至硅原子. 从成键方式来看, 硅烯与氢原子形成共价键, 而与碱金属原子之间形成的键主要是离子性成键, 但还存在部分共价关联成分. 能带计算表明, 锂原子饱和吸附在硅烯形成的复合物SiLi是直接带隙的半导体, 带隙大小为0.34 eV. 其他碱金属饱和吸附在硅烯上形成的复合物都表现为金属性.