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材料化学

材料化学是一门新兴的交叉学科,属于现代材料科学、化学和化工领域的重要分支,是发展众多高科技领域的基础和先导。在新材料的发现和合成,纳米材料制备和修饰工艺的发展以及表征方法的革新等领域,材料化学作出了的独到贡献。材料化学在原子和分子水准上设计新材料的战略意义有着广阔应用前景。

本专业有机融合并着重培养学生掌握材料科学、化学工程、化学等学科知识与实验技能。本专业旨在培养学生系统掌握纳米材料与功能材料设计、制备与表征的基础理论及专业知识,综合解决材料规模化/工业化生产中的化工技术问题。本专业的毕业生将具备良好的国际化视野、材料工程技术素质和实验技能,是符合社会主义市场经济发展和国际竞争需要的、具有较强管理技能的高层次精英人才和复合型技术人才。

材料的化学分析方法可分为经典化学分析和仪器分析两类。前者基本上采用化学方法

来达到分析的目的,后者主要采用化学和物理方法(特别是最后的测定阶段常应用物理方法)来获取结果,这类分析方法中有的要应用较为复杂的特定仪器。现代分析仪器发展迅速,且各种分析工作绝大部分是应用仪器分析法来完成的,但是经典的化学分析方法仍有其重要意义。应用化学方法或物理方法来查明材料的化学组分和结构的一种材料试验方法。鉴定物质由哪些元素(或离子)所组成,称为定性分析;测定各组分间量的关系(通常以百分比表示),称为定量分析。有些大型精密仪器测得的结果是相对值,而仪器的校正和校对所需要的标准参考物质一般是用准确的经典化学分析方法测定的。因此,仪器分析法与化学分析法是相辅相成的,很难以一种方法来完全取代另一种。

经典化学分析根据各种元素及其化合物的独特化学性质,利用与之有关的化学反应,对物质进行定性或定量分析。定量化学分析按最后的测定方法可分为重量分析法、滴定分析法和气体容量法。

①重量分析法:使被测组分转化为化学组成一定的化合物或单质与试样中的其他组分分离,然后用称重方法测定该组分的含量。

②滴定分析法:将已知准确浓度的试剂溶液(标准溶液)滴加到被测物质的溶液中,直到所加的试剂与被测物质按化学计量定量反应完为止,根据所用试剂溶液的体积和浓度计算被测物质的含量。

③气体容量法:通过测量待测气体(或者将待测物质转化成气体形式)被吸收(或发生)的容积来计算待测物质的量。这种方法应用天平滴定管和量气管等作为最终的测量手段。

仪器分析根据被测物质成分中的分子、原子、离子或其化合物的某些物理性质和物理化学性质之间的相互关系,应用仪器对物质进行定性或定量分析。有些方法仍不可避免地需要通过一定的化学前处理和必要的化学反应来完成。仪器分析法分为光学、电化学、色谱和质谱等分析法。

光学分析法:根据物质与电磁波(包括从γ射线至无线电波的整个波谱范围)的相互作用,或者利用物质的光学性质来进行分析的方法。最常用的有吸光光度法(红外、可见和紫外吸收光谱)、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、发射光谱法、荧光分析法、浊度法、火焰光度法、X射线衍射法、X射线荧光分析法、放射化分析法等。

酚醛树酯的合成,开辟了高分子科学领域。20世纪30年代聚酰胺纤维的合成,使高分子的概念得到广泛的确认。后来,高分子的合成、结构和性能研究、应用三方面保持互相配合和促进,使高分子化学得以迅速发展。各种高分子材料合成和应用,为现代工农业、交通运输、医疗卫生、军事技术,以及人们衣食住行各方面,提供了多种性能优异而成本较低的重要材料,成为现代物质文明的重要标志。高分子工业发展为材料化学的重要支柱。

20世纪是有机合成的黄金时代。化学的分离手段和结构分析方法已经有了很大发展,许多天然有机化合物的结构问题纷纷获得圆满解决,还发现了许多新的重要的有机反应和专一性有机试剂,在此基础上,精细有机合成,特别是在不对称合成方面取得了很大进展。

自19世纪Fischer开创不对称合成反应研究领域以来,材料化学的不对称反应技术得到了迅速的发展。其间可分为四个阶段:(1)手性源的不对称反应(chiralpool);(2)手性助剂的不对称反应(chiralauxiliary);(3)手性试剂的不对称反应(chiralreagent);(4)不对称催化反应(chiralcatalysis或asmmetriccatalyticreaction)。 传统的不对称合成是在对称的起始反应物中引入不对称因素或与非对称试剂反应,这需要消耗化学计量的手性辅助试剂。不对称催化合成一般指利用合理设计的手性金属配合物(催化剂量)或生物酶作为手性模板控制反应物的对映面,将大量前手性底物选择性地转化成特定构型的产物,实现手性放大和手性增殖。简单地说,就是通过使用催化剂量级的手性原始物质来立体选择性地生产大量手性特征的产物。它的反应条件温和,立体选择性好,(R)异构体或(S)异构体同样易于生产,且潜手性底物来源广泛,对于生产大量手性化合物来讲是最经济和最实用的技术。因此,不对称催化反应(包括化学催化和生物催化反应)已为全世界有机化学家所高度重视,特别是不少化学公司致力于将不对称催化反应发展为手性技术(chirotechnology)和不对称合成工艺。

这将改变长期以来人们只能从动植物体内提取或天然化合物的转化来制取手性化合物。一般的化学合成只能得到外消旋混合物,须经烦琐的拆分后才能得到单一的手性化合物.不对称催化合成仅需少量手性催化剂就可将大量前手性底物选择性地转化为特定构型的手性化合物,故在手性化合物合成领域中最受关注亦最有实用前景。

而对于不对称催化合成,合适的手性催化剂的选择和合成至关重要.近几十年来过渡金属手性络合物不对称催化反应的研究,为手性化合物的不对称合成及产业化开辟了广阔的前景。金属有机催化的立体选择性有机合成的应用研究在制药工业、农药和精细化学工业中将广泛应用,也是金属有机化学在新世纪中的研究重点和热点之一。 树状大分子作为一种在80年代中期出现的新型合成高分子,由于其结构的高度三维有序性,分子量的窄分布性、分子结构的高度规整性,并且是可以从分子水平上控制、设计分子的大小、形状、结构和功能基团的新型高分子化合物。其高度支化的结构和分子内大量的空腔和表面密集的官能团分布,使其在催化剂的方面具有潜在的用途。

树枝状高分子高度有序的结构,与传统的合成或天然高分子相比,其优势是显而易见的:(1)产物合成结构可控,单分散性好,可得分子量单一的产物。(2)溶解性好,外部官能团的性质决定其溶解性,可运用宏观调控的手段来合成水溶性、油溶性及两亲性的产物。(3)产物粘度小,一般合成过程中会出现一个粘度的极大值后再下降,但不同于传统的聚合物,在合成过程中不会出现凝胶化现象。这些优异的性能决定了其在催化方面潜在应用。

树枝状大分子的结构是呈树枝状,内部含有大量的"空腔",分子的外部含有大量的活性功能基团。分子内部的"空腔"大小和外部端基的"数目"和分子之间的"尺寸"都可以进行严格控制,催化活性中心可以在树枝状大分子的外部,也可以在内部。 树枝状大分子除了分子本身的特殊结构外,还具有纳米尺寸,并能以分子形式溶解。在完成均相反应后,可以通过简单的分离技术将催化剂从反应产物中分离出来,即这类新型催化剂可以实现均相催化剂的固载化。大体可以分为二类:一类是催化活性中心在核附近的树枝状大分子,另一类是表面含催化官能团的树枝状大分子。

这种树状大分子作载体的手性催化剂可以通过采用不同的合成方法可以设计出具有特定结构的树枝状大分子,再将催化活性中心引入到树枝状大分子的不同位置,得到具有特定结构的催化剂。由于这类催化剂可以实现均相催化剂的固载化,还可以和纳米过滤技术或膜技术相结合来回收,克服了传统均相催化剂的缺点。

材料化学是从化学的角度研究材料的设计、制备、组成、结构、表征、性质和应用的一门科学。它既是材料科学的一个重要分支,又是化学学科的一个组成部分,具有明显的交叉学科、边缘学科的性质。随着国民经济的迅速发展以及材料科学和化学科学领域的不断进展,作为新兴学科的材料化学发展日新月异。

本专业培养较系统地掌握材料科学的基本理论与技术,具备材料化学相关的基本知识和基本技能,能在材料科学与工程及其相关的领域从事研究、教学、科技开发及相关管理工作的材料化学高级专门人才。

本专业学生主要学习材料科学方面的基本理论、基本知识和基本技能,受到科学思维与科学实验方面的基本训练,具有运用化学和材料化学的基础理论、基本知识和实验技能进材料研究和技术开发的基本能力。

毕业生应获得以下几方面的知识和能力:

1. 掌握数学、物理、化学等方面的基本理论和基本知识

2. 掌握材料制备(或合成)、材料加工、材料结构与性能测定等方面的基础知识、基

本原理和基本实验技能

3. 了解相近专业的一般原理和知识

4. 熟悉国家关于材料科学与工程研究、科技开发及相关产业的政策,国内外知识产权

等方面的法律法规

5. 了解材料化学的理论前沿、应用前景和最新发展动态,以及材料科学与工程产业的

发展状况

6. 掌握中外文资料查询、文献检索以及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法

具有一定的实验设计,创造实验条件,归纳、整理、分析实验结果,撰写论文,参与学术交流的能力。

主干学科:材料科学、化学

主要课程:化工原理、反应工程、有机化学、无机化学、分析化学、物理化学、结构化学、材料力学、材料分析测试技术、材料成型、粉体材料科学与技术、碳材料科学、材料化学等。

主要实践性教学环节:包括生产实习、专业课程实验、毕业论文等,一般安排10~20周。

主要专业实验:材料制备与合成、材料加工、材料结构与性能测定等。

修业年限:四年。

授予学位:理学或工学学士

相近专业:无机非金属材料工程、材料物理、冶金工程、金属材料工程、粉体工程。

材料化学就业方向:毕业生可在化学化工,材料,医药,食品,环境,能源和分析检验等领域和行业的企业事业单位和行政部门从事研究,开发和管理工作,也可在高等院校和科研单位从事化学和应用化学方面的科研工作。

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