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篇1
一、引言
研究生学位课常常为理论性较强的课程，过去常采用老师讲学生听的传统“填鸭式”教育模式，教学过程中学生参与感不强，被动接受书本知识，缺乏主动性和积极性。为此，迫切需要对目前的教学方式进行改革和调整。Seminar源自拉丁文的Seminarium，原意为“苗圃”、“发祥地”，国内多将其译为“讨论课”、“研讨课”、“席明纳”或“习明纳尔”，也有学者将其理解为“学者之间的对话”。欧美各大学普遍采用的Seminar，源于19世纪初期的柏林大学，以洪堡（W.VHumboldt）倡导的学术自由、教学与科研相结合教育思想为基础。它具有教学与科研双重职能，是以高深学问为研究内容、以讨论和辩论为基本交流形式、师生平等交流的教学范式，其目的是探究高深学问，促进教学相长，以创新性研究为其精髓，以趋近和发现真理为最终目的[1]。国内清华大学、北京大学、浙江大学都有较为全面、较为成功的研讨型课程教学[2]。从查阅的资料来看，深圳大学、浙江中医药大学、吉林大学、国防科技大学、中国科技大学、石河子大学、浙江工业大学、贵州财经大学等数十所高校都或多或少有人以seminar的方式开设专业课程，其中有的是全校性系统开设研讨课，国防科技大学从2011年春季学期起在本科高年级学生中开设了21门专题研讨课，全部以seminar的方式出现[3]。
二、Seminar教学组织过程
1.授课对象。授课对象为西南科技大学矿物加工工程专业学术型硕士研究生，所有学生经报送或通过全国硕士研究生招生统一考试录取入学，学生学习成绩较好，本专业理论基础比较扎实。进行Seminar模式教学时，学生根据自己研究生期间可能遇到的研究课题，负责一个相近专题，以便提升学习的积极性，也能提高学生讨论问题的兴趣。
2.教材选择和教师组织。在矿产资源开发利用过程中，由于矿物分离与富集的依据是有用矿物与脉石矿物之间的物理化学性质差异，表面物理化学的作用也不可替代[4]，因此，将《表面物理化学》作为矿物加工工程硕士点的学位课程之一；王中平等编著的《面物理化学》（同济大学出版社，2015年）作为教材，内容包括界面和界面张力、表面化学三大经典公式、固-液界面的润湿现象、固液界面电化学、范德华引力和胶体的稳定、固-固界面与粘附、气-固界面的吸附、固体自溶液中的吸附、表面活性剂及其应用、常用表面分析技术、材料表面改性和制备应用[5]。其中界面和界面张力、表面化学三大经典公式和常用表面分析技术由教师主讲，其余部分采用Seminar教学模式授课。教学团队由1名主讲教师、1名第二主讲教师和1名助教组成，主讲教师负责基础理论授课，第二主讲教师负责研讨专题设置，助教负责成绩评定表格设计以及成绩统计。
3.授课内容。界面和界面张力、表面化学三大经典公式和常用表面分析技术由教师主讲。其余内容结合学生研究课题设计研讨专题，每次seminar完整教学过程包括理论课（2课时）—查阅研究文献（教师指导课外完成，并制作PPT）—讨论课（2课时）。三位授课老师紧扣教学大纲和培养方案，根据学生研究课题和当前研究热点，讨论确定专题方向，由第二主讲教师引导学生查询高水平文献，初步判断与课程内容的相关性和前沿性，选择代表性论文，最终设置了“原子插层法测量石墨烯在石墨表面的粘附能”、“蒙脱石纳米复合材料对Cr（VI）的吸附”和“三维石墨烯对水溶液中抗生素环丙沙星的吸附研究”等五个专题。学生仔细研读论文，在指导老师探讨相关问题过程中深刻理解论文研究内容的前提下，制作交流汇报PPT。介绍该论文与教材指导的相关性，如何将教材知识点应用于科学研究。
4.交流发言。与国外学生相比，中国学生受到传统教育的影响，普遍不喜欢发表自己的意见，为此引导和调动学生发言的积极性和主动性是seminar教学模式成功与否的关键。要使学生踊跃发言，通常要做好以下三个方面的工作：（1）培养学生发言的品质，这种品质指的是发言者语言礼貌、态度大方，听者虚心地学习和友好的帮助。对于正确的观点见解，教师应加以赞同肯定，对于片面或错误的观点，教师应进行修正和补充，课堂就会呈现出“百家争鸣，百花齐放”的局面；（2）正确评价每位发言者，对科学问题每个同学都可以有自己的观点，鼓励不同的看法和见解，不主观评价学生的对错与否；（3）提高教师自身的亲和力，我个人的习惯是多和学生交流，让他们感觉和你讨论问题是平等的，没有任何压力。讨论结束后，教师应该对整个教学内容进行归纳总结，紧扣教材知识点，对各种观点进行归纳点评。
5.成绩评定。我们在《表面物理化学》Seminar教学模式中的成绩考核主要包括三部分：文献查阅（20%）、文献阅读探讨（30%）、汇报交流（50%）。文献查阅成绩评定主要考虑时效性、针对性、论文质量等，文献阅读探讨考虑阅读熟练程度、问题认识深度、研究内容与教材知识关联性认识、思考问题的深度等，汇报交流考虑PPT的质量、普通话水平、汇报逻辑性等。提前告知学生成绩评定标准，各环节结束后，对学生表现进行成绩评定。
三、结语
本文以西南科技大学矿物加工工程专业研究生学位课的《表面物理化学》教学过程中的授课对象、教材选择和教师组织、授课内容、交流发言、成绩评定进行了相关介绍。采用Seminar教学模式进行学位课授课，学生反响较好，觉得这样的授课方式比“填鸭式”好，收获更多，对基础理论知识的认识更加深刻。但仍然存在些问题：（1）如何融合课程全部知识点，设置研讨专题；（2）如何建立学生课堂表现的科学评讲体系；（3）如何才能更好地培养学生探索问题和解决问题的能力；（4）如何科学合理评价学生学习成绩等。我们将会在未来的教学中继续探索和实践，以期用Seminar教学模式进行学位课授课能成为可复制和推广的模式。
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1理论联系实际．强化药学特色
1．1与药学实践相结合
物理化学理论抽象、概念多、公式多，初学者不易掌握。如果在授课时仅仅是教会学生如何应用概念、公式去解题。学生往往会感到课程既难学又似乎没有实际应用价值。因此在教学中应注重理论联系实际，注重结合药学方面的实际问题进行讲授．把抽象的物理化学原理与药学实践相结合．注意用理论知识去分析和解决实际问题．使学生达到学懂会用，学以致用的目的。
第一，物理化学可为药物新剂型的开发提供理论指导。混悬液、乳状液、胶体等剂型的药物配制都需要应用表面化学和胶体的知识点。例如。固体分散体是提高药物吸收效果和生物利用度的有效方法，利用物化中的低共熔相图原理，使药物与载体以低共熔比例共存时，制成的药物具有均匀的微细分散结构。可大大改善其溶出速度。如灰黄霉素一酒石酸低共熔混合物的溶出速度比纯灰黄霉素的大2．7倍：48％尿素与52％磺胺噻唑制成的低共熔混合物的溶出速度是纯磺胺噻唑的12倍田。微乳作为新的给药系统之一，近年来被用于多种药物制剂的开发．其突出优点有增溶，促进吸收．提高生物利用度．减少过敏反应等。如抗肿瘤药喜树碱在微乳中的溶解度提高23倍。在介绍胶体分散体系时，通过给学生引入“微乳”的实例。不仅提高了学生的学习兴趣，也加深了学生对物理化学中枯燥概念的理解和掌握。
第二，为药物研究和病变检验提供实验方法。人的体液均为胶体，利用胶体粒子带电的特点，通过电泳方法可分离体液，判断某器官是否病变等。例如在电场作用下．可将唾液中的消化酶分离出来，这对单独研究酶的活性提供了方便。又如当人体的脂质代谢遭到破坏时，血液中红细胞的电泳率就会低于正常值．通过电泳的测定就可判定人体的肝功能是否正常网。这些实际应用均与胶体知识相关。
第三，为新药的研发提供理论指导。化学药物中合成路线选择、工艺条件确定，反应速率及机制的分析，这些都需要化学热力学及化学动力学基础，而产品的分离和纯化又需要相平衡的理论知识；相平衡中结晶、蒸馏和精馏、萃取等方法为天然有效成分的分离纯化提供了很好的理论指导基础等。
第四，为专业课程学习和研究提供理论基础。实际上物理化学各章节的内容．都与药学专业主要专业课如药物化学、天然药物化学、药理学和药剂学有千丝万缕的联系。药理学中有关药物的稳定性及体内代谢等直接与化学动力学规律相关；药剂学中溶胶的性质需要电化学知识；在药代动力学研究中，首先要确定模型是一室、二室还是三室，应用的则是化学动力学中一级反应和零级反应的知识等。
1．2与教师科研相结合
高校中的教学与科研是相辅相成、相互促进、缺一不可的，坚持教学与科研相结合，是培养学生创新能力的主要途径，也是理论联系实际的重要环节。将教师成熟的科研成果及时转化为实验教学内容，编写为教材，保证实验内容新颖，既有广度，又有深度。学生把掌握的理论知识融会贯通地运用到实际中，把枯燥、抽象的知识变成了生动易懂的实验，激发了学生的求学欲望，增加了学生学习的兴趣和动力。笔者在教学中，结合有关抗氧化剂的构效关系研究与设计方面的科研工作。将化学热力学、化学动力学等理论内容与科研实际结合起来，收到了良好的教学效果。课外，通过布置课程小论文，以物理化学原理知识在药学方面的应用为题．让学生主动搜寻资料，阅读参考书，促使他们在论文撰写中更进一步地理解理论知识和相关方法，同时也培养了他们基本的科研素养。
1．3与学科发展前沿相结合
物理化学作为基础理论化学。往往给人一种远离科技前沿的错觉。实际上，物理化学原理是许多高新技术的基础。且在高新技术领域有着重要的应用。因此。教师要密切关注物理化学领域的最新发展，结合学生专业特点和学校的科研特色，介绍基础知识在相关领域的应用趋势，引导学生思考，要站在学科发展的前沿反观基础、改造基础、重建基础。如在学习拉乌尔定律时，将拉乌尔定律与渗透、反渗透方法结合，讲解其在宇航员制造太空水过程中的应用．使学生了解了科学技术和社会的关系。激发了学生强烈的求知欲望和学习热情明；又如在学习表面现象这一章时，结合举例2007年诺贝尔化学奖获得者埃特尔有关一氧化碳在金属铂表面的氧化过程的研究，催生了汽车尾气净化装置，从而了解表面化学的研究领域对制药、化工产业影响巨大，物质接触表面发生的化学反应对工业生产运作至关重要。加深学生对表面化学在物理化学学习中的相关内容的理解。通过这些前沿概念性的介绍，使学生在开阔眼界的同时启发了创新性思维。通过在教学中不断渗透前沿科学知识。不仅使物理化学教育富有生命力、感染力与时代感，而且培养了学生的科学素质，使他们的学习目标更加明确。教师在介绍前沿科技时表现出的热爱化学、崇尚科学的情感和价值观。也会对学生科学精神的形成产生深远的影响。
1．4与生活实际相结合
比如我们在实际生活中遇到的气泡，液滴，肥皂泡为什么都是球形的?在江河人海处为什么能够形成三角洲等，通过与这些生活实际相结合，引导学生在物理化学的学习中得到解答。
2实现理论与实践融合的途径与手段
2．1加强药学知识学习，提高教师药学知识水平
要实现物化理论知识与药学专业的融合，教师的业务水平至关重要。教师只有具备深厚的药学和生命科学方面的专业知识，才能理解物化课程在药学中的作用，在教学中将物理化学与药学融为一体。目前从事物理化学教学的教师大多毕业于化学专业，缺少必要的药学知识背景，而药学专业的物理化学教学是要能更好地服务于药学专业课的学习和药学科学研究。这就要求教师除了花费大量的时间和精力备课外，还需要对药学知识有所了解和掌握，需要教师不断加强药学知识学习，提高自己的药学知识水平。有的学校要求化学基础课教师必须听完一轮药学专业的相关课程，甚至参与某些专业课程的教学，这的确是非常有效的举措。物化教师一旦了解和掌握了药学专业知识，对于自身知识结构的优化，实现物理化学与药学专业的融合都有十分重要的作用。
除了不断提高自身的药学知识水平外，加强与药学专业课教师的联系和合作也是实现理论与实践融合的重要途径。笔者在教学中，经常与药剂学等专业课程教师交流。开展集体备课，了解物化基础知识和理论在药剂学中的应用，从而明确了教学中的重点，加强了理论与实践的融合。突出了物理化学的基础课地位和作用，取得了良好的教学效果。
2．2设立专题讲座
结合药学特点，开设与药物化学、天然药物化学、药理学、生物电化学、药剂学等药学专业密切相关的系列知识讲座，也是加强物理化学与药学融合的一个重要途径。
2．3开设综合性、开放性实验
理论知识与药学专业的融合也体现在融合药学特色的物理化学实验的设计上。通过改进实验内容，开设综合性、开放性实验，体现面向药学专业的特色。例如，根据旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验，可增加研究药物有效期的实验；将凝固点降低法测萘的分子量改为测葡萄糖的分子量，同时利用该实验的原理和方法测定中药注射液的渗透压等。
在学习化学动力学章节时，教师结合药学专业特色，参考药物稳定性和代谢动力学知识，给出学生明确的提纲，让学生查阅文献，师生共同设计实验方案，开设开放性实验。让学生在开放性实验的设计、完成过程中，将物理化学理论知识更好地运用到药学研究中，同时也可以培养学生基本的科研思维。
篇3
自20世纪90中期以来，随着能源价格的不断上涨以及可持续发展要求的提高，资源和环境已成为人类可持续发展的首要问题，新型轻型合金材料的研究越来越受到重视，镁合金凭借其优良的性能受到许多国内外专家的关注，但是，镁合金同时也存在耐腐蚀性及附着强度差、易燃、室温塑性变形困难等缺点，使得镁合金的应用受到了很大的限制，因此，需进行有效的防护处理才能发挥其优良性能。目前，为了提高镁合金的耐腐蚀性，通常需对其进行表面改性处理，主要有阳极氧化、微弧氧化、化学镀、化学转化、有机涂层等；其中化学转化处理以其工艺简单、成本低廉被广泛采用。
我公司镁合金零件产品因技术要求，需将镁合金零件表面处理成黑色膜层，该膜层被广泛用于光学仪器消光、涂装底层及保护镁合金之用，这就要求膜层具有极好的附着强度和在大气中的耐腐蚀性，根据公司军民品生产的产品品种、规格、零件大小、数量、技术要求等情况，结合公司现有设备及生产条件，在众多的镁合金表面处理方法中，我们采用化学转化膜处理。通过一段时间的现行生产，镁合金黑色化学转化膜处理存在的主要问题有（1）膜层外观、附着强度差；用脱脂棉可轻松擦去膜层，（2）膜层抗腐蚀性能差。这些问题已经成了镁合金表面处理瓶颈问题，必需尽快加以解决。特别对于我们这样的公司，光学结构件、军品结构件近年来大量使用到了镁合金材料，表面处理质量的好坏直接决定了产品质量的优劣，并且决定了产品投入成本的大小，做好镁合金表面处理生产，是降低军民品生产成本，避免损失，挽救制品的最有效途径，意义相当重大。
2、试验条件
2、1试验所用化学试剂和镁合金试样
试验所用镁合金试样为：50X30X10mm牌号为MB15(ZK61H18)；各合金元素的质量分数分别为：w（Al）0.05%
w（Mn）0.10%w（Zn）5.0~6.0%w（Zr）0.3~0.9%w（Cu）0.05%w（Ni）0.005%w（Si）0.05%w（Fe）0.05%w（Be）0.01%其它0.30%。
所用化学试剂为：NaCr2O2HO；MgSO7HO；MnSO5HO；添加剂（由中原电镀技术实业公司生产）。
2、2工艺流程
上挂—脱脂—水洗—酸洗—水洗—化学转化膜—水洗—填充—热水洗—热风干燥—下挂—检验，结合有关文献资料。确定了镁合金黑色化学转化膜的基础工艺配方为：
NaCr2O2HO120—150g/l；MgSO7HO40—75g/l；MnSO5HO40—75g/l；添加剂10—30g/l，操作条件：温度85—100℃时间10—20min。
2、3检测方法
2、3、1、根据WJ2607-2003《兵器产品表面化学处理与电化学氧化处理膜层通用规范》标准中的擦拭法检测附着强度。
2、3、2、根据HB5061-77《镁合金化学氧化膜层质量检验》标准中的滴定法检测膜层耐腐蚀性。
3、正交试验设计
试验采用4因素3水平L（3）正交试验方法，经分析确定
NaCr2O2HO；MgSO7HO；MnSO5HOl；添加剂，的含量为正交试验的4个影响因素，分别用A、B、C、D表示，对于每个因素取3个水平试验，试验温度85—100℃时间10—20min。正交试验因素水平选择如表1
表1g/l
水
平
A
B
C
D
Na Cr2O 2H O
MgSO 7H O
MnSO 5H O
添加剂
1
2
3
120
150
170
40
60
75
40
50
75
篇4
出奇制胜――界面的构筑
循环肿瘤细胞作为重要的癌症标志物之一，它的识别检测近年来倍受关注，然而其在血液中极低的含量（亿分之一），因此通常用于细胞分选的流式细胞分选仪的灵敏度（万分之一）远远不能满足检测的需求。当前的领先技术是基于免疫磁珠的细胞分离技术，但是其灵敏度低，设备昂贵，费时等缺陷，仍然不能满足恶性肿瘤血液检查的需求，因此细胞检测新材料与技术的出现显得尤为迫切。
基于硅纳米线阵列
通过制备识别抗体修饰的硅纳米线阵列，以乳腺癌细胞作为靶向细胞，王树涛开发了特异性识别、粘附肿瘤细胞的三维微纳米界面。识别抗体使得硅纳米线阵列对目标癌细胞具有特异性的识别功能，同时纳米线能与细胞表面的微纳米伪足相互作用，二者具有相似的尺度，从而获得了比平面结构更强的作用力。这一工作利用微纳米尺度效应对生物界面上的细胞粘附特性进行调控，结合特异性抗体和界面纳米结构，大幅提高了界面对循环肿瘤细胞识别粘附的有效性，实现了肿瘤细胞的高灵敏的特异性捕获。后来，受生物界中免疫系统的高选择性识别粘附现象的启发，王树涛进一步提出了纳米尺寸选择和生物分子的识别协同效应，建立了结构选择和分子识别的新的生物界面识别粘附模型。
王树涛在此方面的研究是国际上第一个利用多尺度粘附可控的功能界面识别捕获肿瘤细胞的例子，选择性得到了3―4个数量级的提高。自2009年发表在Angew. Chem. Int. Ed.杂志以来，得到国内外同行的广泛关注，被Science Daily及国内多家媒体进行专题新闻报道，同时被Nanomedicine做了题为“硅芯片上的纳米柱增加了检测灵敏性”专题新闻评述，指出“该技术在癌症诊断上很有潜力，它能给医生提供患者病情的相关信息和检测治疗的效果”。王树涛因此获得了2010年世界科技奖材料类提名，这在之前中国只有两位教授获此殊荣。
基于聚合物纳米簇
自2010年回国后，与日本理研及美国加州大学的合作者合作制备了肿瘤细胞特异性抗体修饰的导电聚合物纳米簇表面代替相对硬的硅纳米线表面。研究结构表明，相对较矮的聚合物纳米簇（1―2微米）仍然取得了与较高的硅纳米线（8―10微米）相当的细胞特异性识别粘附的结果。结果发表之后，被Science Daily等以“诊断工具：负载抗体的聚合物薄膜能捕获肿瘤细胞”为题作了亮点介绍。
重磅出击――粘附的研究
血液中的痕量循环肿瘤细胞的捕获问题通过我们发展的细胞粘附界面可以解决，而如何在捕获后将痕量的肿瘤细胞无损的释放是难题的关键。通常，生物实验室用胰蛋白酶将细胞与基底间的蛋白水解，使细胞从基底上去粘附。但是这个过程，不可避免对这些痕量的肿瘤细胞造成损坏。
针对以上问题，王树涛设计了一个用核酸外切酶来完成高效快速释放的细胞粘附去粘附三维纳米生物界面。研究中选择了对癌变淋巴细胞特异性识别的核酸适配体作为细胞识别和捕获分子，将之修饰到硅纳米线阵列表面。与平的表面相比，这个界面提供了一个三维的细胞接触模式（多点接触），酶可以多点同时切断核酸适配体，细胞去粘附的过程变得更容易、更快速，且不对细胞本身产生伤害。相关结果在Adv. Mater.上发表并选为封面文章。审稿人高度评价“这一结果是非常振奋人心的，……，将引起细胞材料的相互作用领域的研究者极大的兴趣”。之后又被Wiley出版社的MaterialViews中国等新闻报道，称该研究提供了一个“高粘附易释放”的细胞检测平台。因此，王树涛也受到Science Publishers出版社邀请为纳米医学专著《Nanomedicine in Diagnostics》上撰写题为“Emerging Nanotechnology for Efficient Capture of Circulating Tumor Cells”的章节。
美妙福音――肿瘤的检测
研究表明，恶性肿瘤的死亡率与各国的国民收入成反比，低收入国家的恶性肿瘤患者死亡率一直高居不下。一个重要的原因，是癌症诊疗的费用非常高，除了药物外，其中很大一部分是检测的费用。如何发展一个高效、便宜、简单的肿瘤细胞检测器件成为世界各国的关注热点。
鉴于以上的问题，王树涛发展了廉价、易操作的第一代基于细胞粘附界面的肿瘤细胞检测器件――将细胞特异粘附硅纳米线界面，做成尺寸规范化的检测芯片试剂盒。操作流程非常简单，不需要另外昂贵的设备，绝大多数的生物实验室或医院的检测中心都具备检测条件；这种简单的检测器件在全血中的细胞识别捕获效率在有40%左右；重要的是其细胞识别检测时间从4―6小时缩短到2小时左右。这些优点基本上可以满足发展中国家普通患者做细胞基的癌症检测和术后监测的需求。该成果已申请国际专利。因为其特异高效的细胞粘附特点，被Science Daily等称作“捕蝇纸”式肿瘤细胞检测器件。
篇5
基金项目：本文系辽宁省“十二五”规划课题（课题编号：JG11DB140）、辽宁省教育厅教改项目（项目编号：884-4-4）、辽宁科技大学标志性成果建设项目（项目编号：kdjg10-11）、辽宁科技大学研究生创新教育计划项目（项目编号：2012YJSCX23）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）07-0117-02
“物理化学”是化学学科中的一门重要学科，是辽宁科技大学（以下简称“我校”）化工、环境、生物、材料、冶金、无机等各专业的专业基础课程。“物理化学”课程作为四大基础化学课程的核心，其与无机化学、有机化学、分析化学的最大区别在于其概念抽象、理论性强、公式多、原理多、推导多、知识的逻辑性和前后关联性强。[1]因此，不少学生畏惧物理化学学习，缺乏学习兴趣。针对“物理化学”课程特点和学生学习实际，为提高学生学习兴趣，优化教学效果，从教学内容、方法、手段等方面介绍了教学过程中的一些具体做法。
一、精选教学内容，引导学生研究性学习
在传统的“物理化学”教学中，往往采取老师在讲台上讲授，学生在下机械地记的形式，学生学习的内容基本上都来自于教师在课堂上的讲授，这样不仅不利于调动学生的学习积极性和主动性，而且容易出现满堂灌现象。为了尽量减少单纯的“灌输式”讲授，促进学生以研究性方式进行学习，在全部教学内容中，对适合教师讲授、学生自学、学生独立探究的内容进行选择，从内容选择上避免所有的内容都由教师讲授。对于那些难度很大，学生以现有的知识难以自学或学生可以自学，但自学可能要消耗过多的时间和精力的内容由老师讲授。在此范围之外的内容，凡是学生能够自学的均应放手让学生自学。[2]通过自学，较大地减少教师对课本内容的讲解时间，而且讲授时不再需要按书本去灌输，可以用节省下来的课堂时间补充新的习题，或融入跟踪时代的新内容和前沿讲座。[3]例如，在学习表面现象这一章时，举例2007年诺贝尔化学奖表彰德国科学家格哈德・埃特尔在固体表面化学过程研究中作出的贡献，从而了解表面化学的研究对于化学工业至关重要，加深学生对表面化学在物理化学学习中的相关内容的理解。又如在学习胶体化学一章时，可以结合家喻户晓的纳米技术。纳米材料具有许多神奇的功能，如此微小尺寸的材料是怎么得到的呢？化学家就利用胶体化学中具有纳米尺寸的油包水胶束作为纳米反应器，从而合成了各种无机、有机、高分子纳米粒子。[4]这些前沿内容的介绍，不仅可以扩大学生的知识面，而且对学生今后工作或创新研究也将起到重要作用。
二、改进教学方法，提高教学质量
1.采用图表法进行章节公式归纳总结，解决物理化学公式多难记忆的问题
“物理化学”课程的学习中，学生普遍反映公式多，条件多，容易混淆。由于学生刚刚学习物理化学，还不能对它有较深刻的认识，对公式只能死记硬背，这就需要教师为学生进行总结，使学生易于记忆。[5]例如热力学第一定律和第二定律的应用中，主要是计算各种过程的Q、W、、、、、，由于公式较多，最好采用列表的方法。表1列出了理想气体经历不同的过程时，Q、W、、、、、等各热力学变量的计算公式，这样可以使得众多的公式条理关联化。学生在复习时一目了然，不容易造成混淆。
2.理论联系实际，注重启发式、案例式教学
“物理化学”学科中有些内容比较抽象，不容易被学生接受和理解。为此，在教学中注意理论联系实际，列举一些和生活息息相关的实例，启发学生用所学知识、原理、方法去解答，调动学生的学习积极性，激发学生的求知欲望。[6]
例如，讲热力学第一定律时，列举空调、电冰箱的热功转化问题；讲到稀溶液的依数性时，列举盐碱地的农作物为何长势不好，甚至会枯死；讲到化学平衡时，列举高炉炼铁中反应Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2，高炉废气中含有大量的CO，为什么延长炉身，不能减少废气中CO的含量；[7]讲化学动力学时，可以问“大家吃的面包为什么2、3季度保质期短，而1、4季度保质期相对长些”；又如讲到表面现象时，列举为什么有机蒸馏实验要加入沸石，活性炭具有吸附作用以及人工降雨和毛细管现象等问题。
实践表明，在“物理化学”教学过程中，根据所讲授的内容，适时地应用一些生动的来自实际、生产、科研的实例，使学生体会到物理化学是“有用的”，是可以看得见、摸得着的，从而激发学生的学习兴趣，变学生由“被动学”为“主动学”。
3.多媒体与传统板书结合，优化教学效果
在“物理化学”讲授过程中，针对不同的教学内容应采用适当的教学手段。多媒体的应用使原本枯燥无味的理论知识，通过生动、形象、直观的形式表现出来，调动了学生的学习兴趣，为教师节省了大量板书绘图的时间，加快了知识点的讲授速度，课堂教学的信息量大大增强。[8]实践结果表明，多媒体与传统板书结合不仅使课堂教学生动形象，感染力强，改善学生的理解力，而且动态地启迪学生的思维，实现了学生与老师的互动，学生不再单纯听课，可利用节省的时间共同交流，从而促进了教学内容与体系的改革。[9]
三、量化考核评价方法，提高学生综合素质
考核是检查、评价学生学习情况的一种方法，是教学的重要环节。[10]多样化的考核手段可避免学生因一次考试失误而引起的遗憾，同时也能督促学生平时要好好学习。在新学期开始就告知学生，“物理化学”课程的成绩包含平时成绩和期末试卷成绩两部分，在总评成绩中平时成绩会按一定比例体现。成绩按以下比例计算：在总评成绩中，期末考试成绩与平时成绩的比例为1：1；在平时成绩中，平时出勤和作业、平时测验或论文、课堂回答问题、实验情况都作为考核的方面；量化50分平时成绩指标（如表2）。注意在进行平时成绩评定时，重点放在对学生能力的考查，以利于学生能力的培养。
四、结束语
“物理化学”是一门基础理论性和实践性都很强的课程，它不仅是许多其他课程攻坚科学难关的武器库，而且为现代的化学以及物理、材料等许多领域的发展提供了强有力的方法。“物理化学”教学中要继承传统的教学思想，形成良好的现代教育理念，对教学方法、手段进行不断的改革和实践，与时俱进，激发学生学习兴趣，提高教学质量。
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篇6
物理化学是大化工类各专业本科教学计划中的一门专业基础课程，是理论性、系统性、逻辑性都很强的一门课程。由于学科本身公式繁多、概念严格、推导复杂，容易导致学生学习困难，知识掌握不牢、理论与实际脱节等问题，对大化工类相关专业的后续课程的学习带来不利影响。[1]长期以来，物理化学的学习一直是学生的难点。近年来，小班研讨这种创新性的教学模式由于在激发学生的学习兴趣和热情、引导学生养成自主学习的习惯、培养学生的创新思维能力和知识交流的能力等方面具有优势，逐渐被应用于许多学科的课堂教学。[2]
通过近几年的教学实践，我们认为，将小班研讨应用于工科物理化学课堂教学时，教师要充分发挥在教学过程中的主导地位[3]，合理地选择研讨内容，这样才能发挥小班研讨的上述优势，达到既定的教学目标。结合本校工科物理化学教学的实际情况，我们对工科物理化学小班研讨的研讨内容，提出下列的思考并进行了实际的探索。
本校使用的教材是科学出版社出版的普通高等教育“十一五”国家级规划教材《物理化学教程》。在该教材的框架体系下，我们认为工科物理化学课程除了培养学生具有扎实的基础知识、良好的逻辑思维能力，建立科学的思维方法外，还应当突出基础理论与实际应用并重、注重联系实际的工科特色；并能够关注学科发展前沿，理解新兴领域的研究思路。因此，在小班研讨的研讨内容选择上，就要兼顾上述三个方面。
此外，本校本科学生在二年级上学期和下学期学习物理化学课程，这时学生正处在由基础课程到专业课程学习的过渡期，学生的理论联系实际的能力和创新意识都较薄弱；同时，多数学生的口头表达能力尚需鼓励和培养。在研讨内容的选择上也需要考虑这个问题。
一、基础核心内容的研讨
对于热力学、动力学、化学平衡和相平衡这部分基础核心内容，在教学过程中，为了让学生形成完整的知识系统，教师要站在整个学科的高度向学生讲述物理化学的主要框架和思想方法。
首先，研讨内容中学生的陈述内容可选择对每章的重点进行归纳总结，讨论内容可以选择学生易于混淆的概念、定理和基本原理进行辨析。对基础核心内容的难点问题，教师可通过拟定思考题的形式由学生进行讨论。这样做一方面可以夯实基础，强化学生的自主学习能力，为理论应用于实际打下基础；另一方面，可以逐渐培养学生的口头表达能力和学术交流能力，使研讨能够循序渐进地越做越好。
其次，在基础理论建立的过程中，通过分析科学家的研究过程、研究方法，可以学习科学家的逻辑思维方法。因此，从物理化学发展的历史中，选取某些知识的起源、发展和完善的历史作为研讨内容，通过学科发展和背景的讨论能促进学生对理论和公式的深刻理解，让学生掌握系统的学科思想方法。此外，科学家的生平介绍，研究方向的确立与变化，也可作为研讨内容，这样可以激发学生的学习兴趣和热情。
此外，融合章节间的研讨内容可以让学生对所学知识融会贯通，培养学生综合分析问题的能力。例如：以某一具体实例，将热力学和动力学结合起来，研究化工生产的反应条件。首先采用热力学中化学反应的等温方程判定反应的自发性，再采用等压方程优化反应温度，结合动力学中温度对反应速率的影响，在综合考虑平衡转化率和反应速度的基础上，确定最佳反应温度，反应时间等参数。这类的研讨内容可以提高学生分析问题的能力。物理化学课程中有许多相似的逻辑关系，这种相似的逻辑关系背后隐藏着更深刻的内在联系。例如，基于热力学的状态函数方法获得的相变焓与温度的关系，与化学反应焓变与温度的关系极其相似；在相变热力学中纯物质气液或气固两相平衡中，饱和蒸气压与温度的关系，在化学反应热力学中，标准平衡常数与温度的关系，在化学反应动力学中，速率常数与温度的关系，三者极其相似。这些没有现成答案的研讨可以活跃学生的思维，培养学生探索未知领域的意识和勇气。
二、扩展内容的研讨
工科物理化学的扩展内容为电化学、胶体化学和表面化学，这部分内容与科学研究和生产实践联系紧密，学生既可以用基本原理来解释自然现象，又可以用基本原理来解决实际问题。这部分的研讨内容相当丰富，也是探讨的重点。
例如：在电化学领域内，研讨腐蚀产生的原因以及应对策略，如阳极保护、阴极保护、钝化等措施的应用；研讨玻璃电极、离子选择性电极、化学电源、电化学合成的原理、装置和应用。在表面化学的学习中，研讨表面活性剂，从表面活性剂的结构到表面活性剂的性质，再到用途，如作为剂、去污剂、增溶剂和乳化剂等；研讨膜分离技术，基于膜具有较大比表面的特殊的表面性质，被应用于化工、食品、医疗、卫生等领域；研讨具有巨大比表面的吸附剂和纳米材料，它们的结构、性质和在工业生产和人民生活中的用途；可研讨毛细现象，解释“锄下有水”，“棉布吸水”等自然现象；研讨润湿现象，解释眼镜起雾的原理，并采取有效措施预防。学习胶体化学时，研讨解释胶体稳定性的DLVO理论，找到胶体稳定存在的原因，从而制定出破坏胶体的措施或者稳定胶体的对策；研讨电泳的原理，在分析化学、生物化学、临床化学、毒剂学、药理学、免疫学、微生物学、食品化学等各个领域的应用。
这部分的研讨着重从基本原理的应用，到实验装置或生产设备的建立，再到工艺条件的选择，能训练学生将基本原理用于解决问题的习惯和能力，有助于学生形成系统发现问题、分析问题和解决问题的能力。
三、与专业相结合的学科前沿的研讨
本校每年学习物理化学的本科生有1000多名，专业涵盖大化工的许多专业，如冶金、材料、化工、环境、轻工等专业。大化工的不同专业的后续课程对物理化学知识的延伸和应用存在差异。比如，冶金和材料类的专业对相平衡知识应用较多，制药和纺织等专业对胶体化学的知识应用较多。针对这一特点，小班研讨的内容可视学生的专业特点而定，由学生自主选题，着重于工程应用和学科前沿。
在小班研讨的实践过程中，这部分的研讨尤其让教师深刻地体会到学生自身的巨大潜力和可塑性。例如：学习了相图中的临界状态，引出新兴的超临界流体萃取技术，食品专业的学生主要研讨用于萃取啤酒花、香辛料、植物色素和动物油脂等超临界流体萃取的原理、装备和工艺条件等；制药专业的学生主要研讨将之应用于中药有效成分的提取和中药的现代化；化工专业的学生主要研讨天然香精香料和天然色素等的提取；环境专业的学生研讨萃取污水中的有毒物质，如有机氯、有机硫等。关于电化学的应用，对环境科学和工程专业的学生，研讨将电化学氧化、电化学还原、电凝聚和电渗析等方法用于废水处理；对化工专业的学生，讨论燃料电池、新型海洋电池的设计原理、工作方式等；对生物化工专业的学生，研讨生物电催化、微电极传感器的原理及应用。当学习表面张力的时候，研讨内容对冶金专业可选择表面活性剂用于矿石的浮选原理与应用；对纺织专业，可选择荷叶效应对材料制作的启迪；对于生物化工专业，新型的生物表面活性剂又是研究的热点，由于它与环境具有兼容性，既无毒又可被生物降解，随着人们环保意识的不断增强，生物表面活性剂越来越受到人们的关注，需要研讨生物表面活性剂的结构、制备、应用以及与传统表面活性剂的优缺点比较等。在胶体化学中，微乳状液的制备和应用，双向凝胶电泳的技术及应用也是目前研究的新方向，可以提供给高分子材料专业的学生作为研讨内容。
四、结论
在知识更新迅速和信息爆炸的时代，迫切需要掌握扎实的基础知识，具备将基础知识应用于实际的能力，能够客观分析各行业的实际需求，创新性地解决问题的人才。在近几年小班研讨的实践中，我们逐渐发现，只有通过多层次、全方位、针对专业特色地精选研讨内容，才能循序渐进地培养人才的综合素质。在夯实学科基础知识的基础上，培养学生理论联系实际的能力，能进一步提升学生的创新性思维能力，最大限度地发挥小班研讨的作用。
[ 参 考 文 献 ]
篇7
一、钻井液滤液在井底岩石作用接触角
采用2.5润湿接触角测量方法对不同KZ-1加量的钻井液滤液在温度为25℃下进行润湿接触角测量。
分别配置含KZ-1，0.1%、0.3%、0.5%、0.8%、1.0%的钻井液体系，通过API失水压得滤液，对所得滤液进行润湿接触角测量，结果如下。
由图1看出随着KZ-1量的加大，其润湿接触角呈现上升趋势。在KZ-1的cmc浓度附近达到稳定值280。随着浓度继续加大，曲线继续上升，但走势略缓。其润湿反转性能有所降低。可以得出在快钻剂加入量为其cmc浓度附近，钻井液体系滤液对井壁岩石的润湿接触角趋于稳定，井壁岩石由弱亲水转化为强亲水状态。
二、钻井液滤液在泥页岩表面吸附特征
表面活性剂分子在液/气、液/液、液/固界面上的吸附状态和分子取向,在诸如润湿、乳化、分散等应用领域起着决定性的作用,目前对低分子表面活性剂在界面上的吸附研究较为深入。与低分子表面活性剂不同,高分子表面活性剂分子链节较多,易在界面上形成稳定的膜。同时与均聚物的吸附状况也不同,由于双亲性结构中亲水或疏水作用易导致多层吸附发生,使吸附量较大。有关聚醚型表面活性剂分子界面取向的研究已有报导,但其分子量较小,分子结构亦不复杂。对于大分子量的高分子表面活性剂,由于分子链长,结构复杂,对其在界面上的吸附状态少有报导。
由于溶液中的表面活性剂存在疏水作用，尽管在亲水头的作用下它们能够溶于水相，但疏水基仍会自发从发从水环境中逃离并向界面迁移，将疏水基伸入另一相中形成定向吸附。当溶液表面达到饱和吸附后，溶液中的表面活性剂不可能进一步向界面上迁移，此时则必须以另一种方式来满足疏水作用的要求。
一般认为当表面活性剂吸附达到饱和后，为了满足表面活性剂分子的疏水基力图从水环境中逃离的热力学趋势，这些表面活性剂的疏水基常常在溶液相中自发缔合起来，以消除围绕在疏水基周围的水分子对疏水基的影响[2,3]。这种自发缔合的结果将导致表面活性剂分子形成亲水基朝向水相，疏水基聚集在中央的束状或球状团簇结构，这种团簇结构便被成为胶束如图2所示。
一旦表面活性剂在溶液中形成胶束，所有过剩的表面活性剂便从水化固体或单体状态转变为团簇状态，溶液的性能也便随之发生突变[5]。
由于表面活性剂胶束是胶体尺寸的粒子，故溶液的性质便表现出胶体溶液的性质，因而不同于前述的表面活性[4,5]。尽管导致胶束化以及导致界面吸附的表面活性剂的结构因素及分子微环境因素是一直的。因此当表面活性剂溶液浓度达到或超过cmc后，对溶液化学研究而言，意味着界面化学的结束和胶体化学的开始。
表面活性剂的亲水基和疏水基的相对强度也可以用基团的体积大小来直观表示如图3所示。这里的体积大小仍然不是代表基团的绝对尺寸比较，而是考虑了离子头排斥和氢键水合分子的影响后的相对强弱。
将KZ-1配置为浓度为cmc，将待测岩心浸泡在KZ-1溶液中若干时间。进行电镜分析。
图4为润湿反转剂KZ-1浸泡过的岩心。从图4(b)我们可以看出KZ-1在岩心表面有大量的胶束存在，成球状，直径在100nm左右。说明KZ-1符合上述所分析的表面活性剂胶束形态以及胶束特征。且在固体表面成规则形状。图4(a)所示为其胶束产生的一些吸附分子层。
三、结论
本文对润湿反转型快速钻井液体系分子表面作用规律进行了评价。得出如下结论：
1.评价了润湿反转型快速钻井液体系分子表面作用规律，通过润湿接触角测定分析发现钻井液体系的润湿接触角在加入钻井液处理剂KZ-1后其cmc时为280；
2.KZ-1在固体表面呈现球状胶束规则排列。
参考文献
[1]杜巧云,高虹.表面活性剂基础及应用.北京：中国石化出版社.32～33.
[2]张连仲.毛管压力、矿化度以及熟化对润湿性改变的影响.国外油田工程2004,20(1):6～7.
篇8
0引言
在交通运输、航空航天、电力通信等领域，设备表面结冰带来恨得危害和安全隐患。为了减少安全隐患，人们提出了许多防冰与除冰方法。目前国内外通常采用以下三种方法：物理法，如加热法、机械法；化学法，如喷洒盐水、涂抹防冰液等；被动防冰法，在基体表面构建抗结冰功能涂层。前两种方法因操作简便而使用广泛，但其存在工作强度大、效率低、环保性差等诸多问题，在使用中受到限制。被动防冰法成本低、耗能小，易于施工，是一种理想的防冰方法，具有极大的应用价值，因此抗结冰涂层的研究备受关注。
1涂层表面特性与抗结冰原理
冻粘是冰与材料表面的粘附，既可以是分子间的范德华力，也可以是化学键作用，还可以是界面上微观的机械连接作用。固体表面的状态，如表面的化学性质、粗糙度、温度等都将直接影响表面粘附界面的形成，从而影响冻粘强度。其中，表面的湿润性对冻粘的影响较大。
根据接触角θ大小，可以将材料表面分为疏水表面和亲水表面，疏水表面（θ>90°）冻结时水膜不连续，所形成的冰膜也就存在缺陷，易发生破坏。因此，疏水材料具有减粘防粘的作用。
涂层表面的粗糙度也是决定冻粘强度的重要因素之一。合适的微观结构和粗糙度，不仅可以提高表面的疏水性能，延迟冰晶的出现，而且可以吸留空气，造成冰与基体界面间的应力集中，降低冻粘强度。
2 抗结冰涂层国内外研究进展
根据抗结冰原理，目前对抗结冰涂层的研究主要集中在牺牲性涂层和疏水性涂层两类。
牺牲性涂层的表面能够释放出抗结冰剂或油脂类物质，降低冰的冻粘强度，因此牺牲性涂层具有良好的抗结冰效果。2007年，Ayres等[1]通过溶胶-凝胶法制备了有机-无机杂化钛基先驱体，并与环氧基聚合物复合得到抗结冰缓释涂层，涂层经水解可释放出抗结冰剂。实验表明，这种涂层能够通过抑制冰的成核和粘附，达到良好的抗结冰效果。2012年，黄硕[2]分别通过溶胶-凝胶法和电解法制备了钛、铝、铁的有机金属化合物，与PRTV硅橡胶涂料混合制备了融冰型防覆冰复合涂料，并详细研究了涂料的融冰机理。牺牲性涂层需要通过化学反应释放抗结冰物质，有效期较短，并且所释放的抗结冰物质会对环境造成损害，因此其应用受到限制。
疏水涂层主要是含硅、含氟的聚合物，这两类聚合物具有较低的表面能，能够降低冰的冻粘强度。
2007年，Hoover等研制开发了一种有机硅抗结冰涂层，其对冰的附着力非常低，冰剪切强度仅为19-50Kpa，并且经过刮擦、热/湿老化、盐雾试验后，仍然能够保持优异的抗结冰性能。Yu等[4]用嵌段和接枝的方法分别制备了不同分子量PDMS与聚丙烯酸酯的共聚物PC-b-PDMS和PC-g-PDMS，详细研究了涂层表面结构与冰的冻粘强度之间的关系。实验结果表明，由于涂层表面微相分离的存在，使得这两系类共聚物与冰的冻粘强度明低于聚氨酯材料，尤其是PC-b-PDMS和含有长侧链的PC-g-PDMS表现更为明显。
2010年，Jafari等等在具有微纳米结构的三氧二化铝表面构建了一种聚四氟乙烯的抗结冰涂层。涂层表面的接触角可以达到165°，具有很强的疏水性。X射线光电子能谱（XPS）结果表明，涂层表面含有大量的-CF3和-CF2，极大地降低了涂层表面的自由能，使冰在聚四氟乙烯表面的附着力低于铝基材表面3.5 倍。
Yang等利用烧结、旋涂等方法制备了聚四氟乙烯、含氟聚氨酯、氟硅橡胶几种含氟疏水涂层，并研究了各种涂层的抗结冰疏冰性能。通过研究其冰剪切强度和覆冰量，结果表明：-8℃下，光滑的含氟聚合物表面能够显著降低冰在材料表面的附着力，但是不能明显降低覆冰量；经过喷砂处理的具有粗糙结构的含氟聚合物表面能够减少覆冰量，但却因为接触角随温度下降而变小，导致了冰附着力增加。
Wang等[7]使用全氟聚氧烷基碳酸氮素衍生物涂敷在铜表面，成功得到了厚度10nm的纳米氟碳膜涂层。通过研究结冰过程发现，涂层表面高的接触角和低的后退角不仅可以有效延迟结冰时间，而且增加了整个结冰过程的时间。
目前，对抗结冰涂层的研究仍然存在一些难题：抗结冰涂层研究的测试方法和测试手段有限，主要包括冰的冻粘强度和覆冰量，但是没有统一的标准，导致材料之间的抗结冰性能测试结果之间没有可比性；材料的抗结冰性能与其表面微观结构有关，随着使用次数增多，涂层表面容易被破坏，导致抗结冰性下降，不能满足长期使用的需求；在抗结冰机理方面，仍然未能建立表面化学组成、微观结构与抗结冰性之间的确切关系，需要进一步研究。
3 结论
尽管目前抗结冰涂层的研究已经取得了相当大的进展，但是相关的研究也不容忽视，如涂层与基材间的附着力、涂层的施工工艺、抗结冰性的长效性等方面仍然存在一些亟待解决的问题。我们相信，随着科技的不断进步，研究方法的不断增多，抗结冰涂层的性能可以得到进一步完善，其应用范围将不断扩大并发挥更大的作用。
参考文献
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[4]Yu D.M.，etc.Preparation and evaluation of hydrophobic surfaces of polyacrylate-polydimethylsiloxane copolymers for anti-icing，Prog. Org.Coat.2013
篇9
广西大学化学化工学院物理化学课程组承担着全校理、工、生、农等专业物理化学课程的理论教学和实验指导工作，根据专业教学大纲的不同，化学和应用化学这两门理科专业的物理化学实验独立设课，计108学时；而工、生、农专业的物理化学实验与基础理论课相结合，实验部分计33学时。课程组根据教学班级编制实验班并开展工作：实验教学分层次培养，分为基础层次、提高性层次和科研性层次三类，它是在提高实验课教学效率的同时，把大纲要求的教学与开放性实验教学结合起来，在规定的实验时间内，既完成教学大纲要求，又能使能力强、兴趣浓的学生在创新精神、动手能力方面得到进一步加强[3]。从表1中可以看出，实验教学改革不仅注重纵向分层次，使实验教学循序渐进，在夯实基础的同时构筑高地；也注重了横向的分层次，将实验等级不断提高，依据学生的专业及他们的意愿和能力，选择不同层次的实验，给予学生更大的积极性和创造性的发展空间。
（一）基础层次
基础层次主要包括工、生、农等相关专业的学生，占开展物理化学实验学生的80%以上，该层次强调实验与理论教学统筹协调，旨在让学生更深入地理解和掌握物理化学的一些基本原理、基础技术与实验方法。目前开设实验8个，涵盖了化学热力学、相平衡、化学动力学、电化学和表面化学的内容。其中电化学部分开设实验1个：波根多夫对消法测定原电池电动势。该实验为验证性实验，可使学生对铜、锌等电极有初步的感性认识，学习电极制备与处理的基本技能以及电化学测量体系的组建、电解池与电解质溶液的选择等基本操作；通过原电池电动势的测定实验，训练基本物理量电势的测定以及电位差计的测量原理和正确使用方法。在教学上，由教师严格把关，把实验要求、原理、步骤等较完整地提供给学生，使学生通过实验，达到感性认识的训练目的。
（二）提高层次
提高层次实验开放的对象为本学院化学和应用化学这两门理科专业的学生，每年向约80名学生开放。旨在使学生在教师的启发和指导下，通过认真思考和研究完成实验，达到更高层次上对电化学的全面掌握，除了基础层次的实验内容，引入一些实验技能要求较高，知识点覆盖更广泛的实验，同时开设设计性实验。该层次开放必修实验13个，此外还有3～5个设计性实验。目前的电化学设计性实验《金属-空气电极的制备及性能检测》是物理化学教学改革过程中将原有实验《铅蓄电池及其充放电曲线的测定》改进后开设的，克服了原有使用成品密封铅蓄电池，学生无法观察电池的正负极、电解液和隔膜等结构，只能简单操作测试仪器，实验内容单一的缺点。并且金属-空气电池是目前化学电源的研究热点之一，改进后的实验内容不仅涵盖了原实验内容的设计要点，更是结合了实验设备等硬件设施建设情况，贴近社会需求和科学技术发展水平。在教学上，结合理科专业的培养目标，要求提高层次的学生能在预习过程中就能够结合所学的物理化学知识基本掌握实验内容。实验过程中是由学生进行实验目的、原理和实验步骤的讲解，实验指导教师做补充并指出实验要点和注意事项，同时引入讨论课或小论文等环节。提高层次学生的教学目标是：掌握实验原理，实验操作规范，实验报告正确，实验讨论合理。上述措施旨在端正理科专业学生的科研态度和提高学以致用的能力，为将来的科研实践工作打基础。
（三）科研层次
科研层次的教学是结合我校“大学生实验技能和科技创新能力训练基金项目”进行的，该项目于2012年7月开始启动，旨在鼓励和支持本科生早进课题、早进实验室、早进团队，在导师指导下强化实验技能，参与科学研究或工程设计，增强本科生创新、实践、创业、就业等四种能力，提高人才培养质量。因此，参与项目的本科生需要开展的是某一科研课题的研究，以有关物理化学实验技能为基础，充分利用物理化学基础实验室的现有条件，在教师的指导下开展科研活动。项目开展两年多来，第一批项目已经结题，学生均反映基础层次和提高层次学到的一些实验技能，如电池测试、粘度测定，比表面测定等测试技术都能用在科研实践中，相关理论知识也得到了进一步巩固。
三、分层次实验教学模式对实验室建设的作用
实现分层次实验教学后，实验室的建设也可以分层次进行。2014年，课程组出版了新的《物理化学实验》教材，使大学物理化学实验适应新的发展形势：针对更新后的设备，对基础层次的实验内容进行了调整，如《乙酸乙酯皂化反应速率常数的测定》。同时，结合本次课程组教师的科研成果增加了一些提高层次的综合性、设计性实验，如《药物有效期的测定》、《TiO2纳米材料的制备与表征》等。对科研层次主要是引进先进的精密仪器，提高测定准确率，目前物理化学基础实验室已更换了比表面测试仪，不仅能在实验教学中起作用，更能为学生开展科研项目提供分析测试平台，利用测试数据发表的科研成果也能够激励教师和学生及时地改进实验方法，不断更新实验题目，充分锻炼教师和学生的实践能力和创新精神，促进实验室的建设。
篇10
马里奥・卡佩奇现年70岁，目前是美国犹他州医学院著名教授、人类基因系两位主任之一。卡佩奇1937年出生于意大利维罗纳，少年时移民美国。他在俄亥俄州安提亚克学院获得了化学和物理学学士学位，在哈佛大学获得生物物理博士学位，其博士论文是在DNAg5(螺旋结构发现者、1962年诺贝尔生理学和医学奖获得者詹姆斯・华生的指导下完成的。
卡佩奇在哈佛时就是一位成果丰富的研究者，他发现了导致蛋白合成的分子机制。当他于1973年在犹他大学建立实验室时，便试图将分子基因学引入到对动物细胞的研究，以便获悉如何掌控这些细胞里的基因。卡佩奇于1977年开始一系列实验室研究，这些研究展现了对动物细胞进行基因打靶的技术，并在1989年成功对一只老鼠进行基因打靶。
奥利弗・史密西斯教授任职于美国北卡罗来纳大学，研究方向主要集中在两个方面：一方面是对异形基因进行修正，另外一个便是利用人类基因病变构造动物模型，以发现新的疾病治疗方法。
多年来，奥利弗・史密西斯教授及其助手深入研究了“基因打靶”的具体操作方法，并借助这项技术治疗地中海贫血症。
66岁的马丁・埃文斯曾是英国卡的夫大学哺乳动物基因教授和生物科学学院院长。埃文斯于1963年毕业于剑桥大学，他在这之后决定研究基因对肢体发展的控制，在伦敦学院解剖与胚胎系攻读博士学位。
埃文斯1981年在重返剑桥大学后和马特・科夫曼成功地将类似的“EC”细胞与正常的老鼠胚胎进行分离。埃文斯随后和他的学生们证实，这些后来被之称为“胚胎干细胞”的细胞可以用来从组织层细胞全面恢复老鼠的生育能力，这些细胞因此可以引发突变或者进行挑选。
埃文斯的这些先驱性研究创造了哺乳动物基因的新路径，他一直在使用基因陷阱等方法来进行新的发现和治疗人类疾病的动物模式的研究。
获得物理学奖的阿尔贝・费尔
瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会2007年10月9日宣布，将2007年度诺贝尔物理奖授予法国科学家阿尔贝・费尔和德国科学家彼得・格林格尔，以表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献。
阿尔贝・费尔1938年3月7日出生于法国的卡尔卡松。1962年，费尔在巴黎高等师范学院获数学和物理硕士学位。1970年，费尔从巴黎第十一大学获物理学博士学位。
阿尔贝・费尔目前为巴黎第十一大学物理学教授。费尔从1970年到1995年一直在巴黎第十一大学固体物理实验室工作。后任研究小组组长。1995年至今则担任国家科学研究中心-Thales集团联合物理小组科学主管。1988年，费尔发现巨磁电阻效应，同时他对自旋电子学作出过许多贡献。
费尔在获得诺贝尔奖之前已经取得多种奖项，包括1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖，1997年获欧洲物理协会颁发的欧洲物理学大奖，以及2003年获法国国家科学研究中心金奖。
德国科学家彼得・格林贝格尔1939年5月18日出生。从1959年到1963年，格林贝格尔在法兰克福的歌德大学学习物理，1962年获得中级文凭，1969年在达姆施塔特技术大学获得博士学位。
1988年，格林贝尔在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应；1992被任命为科隆大学兼任教授；2004年在研究中心工作32年后退休，但仍在继续工作。
格林贝格尔在学术方面获奖颇丰，包括1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖(与阿尔贝・费尔、帕克林共同获得)；1998年获由德国总统颁发的德国未来奖；2007年获沃尔夫基金奖的物理奖(与阿尔贝・费尔共同获得)。
获得化学奖的格哈德・埃特尔
瑞典皇家科学院2007年10月10日宣布，德国科学家格哈德・埃特尔因在表面化学研究领域作出开拓性贡献而获得2007年诺贝尔化学奖。
当天恰逢埃特尔的71岁生日。他1936年10月10日生于德国斯图加特，大学生涯在慕尼黑技术大学度过，并于1965年获博士学位。
篇11
在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。
自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。
2膜材料的应用
人们在惊叹细胞膜奇妙功能的同时，也在试图模仿它，仿生一直以来就是材料设计的重要手段，这就是薄膜材料。它的一个很重要的应用就是海水的淡化。虽然地球上70％的面积被水覆盖着，但是人们赖以生存的淡水只占总水量的2.5％～3％，随着人口增长和工业发展，当今世界几乎处于水荒之中。因此将浩瀚的海水转为可以饮用的淡水迫在眉睫。淡化海水的技术主要有反渗透法和蒸馏法,反渗透法用到的是具有选择性的高分子渗透膜,在膜的一边给海水施加高压,使水分子透过渗透膜,达到膜的另一边,而把各种盐类离子留下来,就得到了淡水。反渗透法的关键就是渗透膜的性能,目前常用有醋酸纤维素类、聚酰胺类、聚苯砜对苯二甲酰胺类等膜材料.这种淡化过程比起蒸法法,是一种清洁高效的绿色方法。
利用膜两边的浓度差不仅可以淡化海水,还可以提取多种有机物质。工业生产中，可用膜法过滤含酚、苯胺、有机磺酸盐等工业废水，膜法过滤大大节约了成本,有利于我们的生存环境。
膜的应用还体现在表面化学上面。在日常生活中,我们会发现在树叶表面,水滴总是呈圆形,是因为水不能在叶面铺展。喷洒农药时,如果在农药中加入少量的润湿剂(一种表面活性剂),农药就能够在叶面铺展,提高杀虫效果,降低农药用量。
更重要的，研究人员还将膜材料用于血液透析，透析膜的主要功能是移除体内多余水份和清除尿毒症毒素，大大降低了肾功能衰竭患者的病死率[1]
3膜材料的分类
近年来,随着成膜技术的飞速发展,各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。
薄膜材料种类繁多,应用广泛,目前常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。目前很受人们注目的主要有一下几种薄膜。
3.1金刚石薄膜
金刚石薄膜的禁带宽，电阻率和热导率大，载流子迁移率高，介电常数小，击穿电压高，是一种性能优异的电子薄膜功能材料，应用前景十分广阔[2]。
近年来,随着科技的发展,人们发展了多种金刚石薄膜的制备方法,比如离子束沉积法、磁控溅射法、热致化学气相沉积法、等离子化学气相沉积法等.成功获得了生长速度快、具有较高质量的膜,从而使金刚石膜具备了商业应用的可能。
金刚石薄膜属于立方晶系,面心立方晶胞,每个晶胞含有8个C原子,每个C原子采取sp3杂化与周围4个C原子形成共价键,牢固的共价键和空间网状结构是金刚石硬度很高的原因.金刚石薄膜有很多优异的性质：硬度高、耐磨性好、摩擦系数效、化学稳定性高、热导率高、热膨胀系数小,是优良的绝缘体。
利用它的高导热率,可将它直接积在硅材料上成为既散热又绝缘的薄层,是高频微波器件、超大规模集成电路最理想的散热材料。利用它的电阻率大,可以制成高温工作的二极管,微波振荡器件和耐高温高压的晶体管以及毫米波功率器件等。
金刚石薄膜的许多优良性能有待进一步开拓,我国也将金刚石薄膜纳入863新材料专题进行跟踪研究并取得了很大进展、金刚石薄膜制备的基本原理是:在衬底保持在800~1000℃的温度范围内,化学气相沉积的石墨是热力学稳定相,而金刚石是热力学不稳定相,利用原子态氢刻蚀石墨的速率远大于金刚石的动力学原理,将石墨去除,这样最终在衬底上沉积的是金刚石薄膜。
3.2铁电薄膜
铁电薄膜的制备技术和半导体集成技术的快速发展,推动了铁电薄膜及其集成器件的实用化。铁电材料已经应用于铁电动态随机存储器(FDRAM)、铁电场效应晶体管(FEET)、铁电随机存储器(FFRAM)、IC卡、红外探测与成像器件、超声与声表面波器件以及光电子器件等十分广阔的领域[3]。铁电薄膜的制作方法一般采用溶胶-凌胶法、离子束溅射法、磁控溅射法、有机金属化学蒸汽沉积法、准分子激光烧蚀技术等.已经制成的晶态薄膜有铌酸锂、铌酸钾、钛酸铅、钛酸钡、钛酸锶、氧化铌和锆钛酸铅等,以及大量的铁电陶瓷薄膜材料。
3.3氮化碳薄膜
1985年美国伯克利大学物理系的M.L.Cohen教授以b-Si3N4晶体结构为出发点,预言了一种新的C-N化合物b-C3N4,Cohen计算出b-C3N4是一种晶体结构类似于b-Si3N4,具有非常短的共价键结合的C-N化合物,其理论模量为4.27Mbars,接近于金刚石的模量4.43Mbars.随后,不同的计算方法显示b-C3N4具有比金刚石还高的硬度,不仅如此,b-C3N4还具有一系列特殊的性质,引起了科学界的高度重视,目前世界上许多著名的研究机构都集中研究这一新型物质.b-C3N4的制备方法只要有激光烧蚀法、溅射法、高压合成、等离子增强化学气相沉积、真空电弧沉积、离子注入法等多种方法。在CNx膜的诸多性能中，最吸引人的当属其可能超过金刚石的硬度，尽管现在还没有制备出可以直接测量其硬度的CNx晶体，但对CNx膜硬度的研究已有许多报道。
3.4半导体薄膜复合材料
20世纪80年代科学家们研制成功了在绝缘层上形成半导体（如硅）单晶层组成复合薄膜材料的技术。这一新技术的实现，使材料器件的研制一气呵成，不但大大节省了单晶材料，更重要的是使半导体集成电路达到高速化、高密度化，也提高了可靠性，同时为微电子工业中的三维集成电路的设想提供了实施的可能性。
这类半导体薄膜复合材料，特别使硅薄膜复合材料已开始用于低功耗、低噪声的大规模集成电路中，以减小误差，提高电路的抗辐射能力。
3.5超晶格薄膜材料
随着半导体薄膜层制备技术的提高，当前半导体超晶格材料的种类已由原来的砷化镓、镓铝砷扩展到铟砷、镓锑、铟铝砷、铟镓砷、碲镉、碲汞、锑铁、锑锡碲等多种。组成材料的种类也由半导体扩展到锗、硅等元素半导体，特别是今年来发展起来的硅、锗硅应变超晶格，由于它可与当前硅的前面工艺相容和集成，格外受到重视，甚至被誉为新一代硅材料。
半导体超晶格结构不仅给材料物理带来了新面貌，而且促进了新一代半导体器件的产生，除上面提到的可制备高电子迁移率晶体管、高效激光器、红外探测器外，还能制备调制掺杂的场效应管、先进的雪崩型光电探测器和实空间的电子转移器件，并正在设计微分负阻效应器件、隧道热电子效应器件等，它们将被广泛应用于雷达、电子对抗、空间技术等领域。
3.6多层薄膜材料
多层薄膜材料已成为新材料领域中一支新军。所谓多层薄膜材料，就是在一层厚度只有钠米级的材料上，再铺上一层或多层性质不同的其他薄层材料，最后形成多层固态涂层。由于各层材料的电、磁及化学性质各不相同，多层薄膜材料会用有一些奇异的特性。目前，这种制造工艺简单的新型材料正受到各国关注，已从实验室研究进入商业化阶段，可以广泛应用于防腐涂层、燃料电池及生物医学移植等领域。
1991年，法国特拉斯.博斯卡大学的Decher首先提出由带正电的聚合物和带负电的聚合物组成两层薄膜材料的设想，由于静电的作用，在一层材料上添加另外一层材料非常容易，此后，多层薄膜的研究工作进展很快。通常，研究人员将带负电的天然衬材如玻璃片等，浸入含有大分子的带正电物质的溶液，然后冲洗、干燥，再采用含有带负电物质的溶液，不断重复上述过程，每一次产生的薄膜材料厚度仅有几钠米或更薄。由于多层薄膜材料的制造可采用重复性工艺，人们可利用机器人来完成，因此这种自动化工艺很容易实现商业化。目前，研究人员已经或即将开发的多层薄膜材料主要有以下几种：①制造具有珍珠母强度的材料。②新型防腐蚀材料。③可使燃料电池在高温条件下工作的多层薄膜材料[4]。
4展望
迄今，人们已经设计和开发出了多种不同结构和不同功能的薄膜材料，这些材料在化学分离、化学传感器、人工细胞、人工脏器、水处理等许多领域具有重要的潜在应用价值，被认为将是21世纪膜科学与技术领域的重要发展方向之一。
参考文献：
[1]医疗设备信息.2007,(27)8.
篇12
2膜材料的应用
人们在惊叹细胞膜奇妙功能的同时，也在试图模仿它，仿生一直以来就是材料设计的重要手段，这就是薄膜材料。它的一个很重要的应用就是海水的淡化。虽然地球上70％的面积被水覆盖着，但是人们赖以生存的淡水只占总水量的2.5％～3％，随着人口增长和工业发展，当今世界几乎处于水荒之中。因此将浩瀚的海水转为可以饮用的淡水迫在眉睫。淡化海水的技术主要有反渗透法和蒸馏法,反渗透法用到的是具有选择性的高分子渗透膜,在膜的一边给海水施加高压,使水分子透过渗透膜,达到膜的另一边,而把各种盐类离子留下来,就得到了淡水。反渗透法的关键就是渗透膜的性能,目前常用有醋酸纤维素类、聚酰胺类、聚苯砜对苯二甲酰胺类等膜材料.这种淡化过程比起蒸法法,是一种清洁高效的绿色方法。
利用膜两边的浓度差不仅可以淡化海水,还可以提取多种有机物质。工业生产中，可用膜法过滤含酚、苯胺、有机磺酸盐等工业废水，膜法过滤大大节约了成本,有利于我们的生存环境。
膜的应用还体现在表面化学上面。在日常生活中,我们会发现在树叶表面,水滴总是呈圆形,是因为水不能在叶面铺展。喷洒农药时,如果在农药中加入少量的润湿剂(一种表面活性剂),农药就能够在叶面铺展,提高杀虫效果,降低农药用量。
更重要的，研究人员还将膜材料用于血液透析，透析膜的主要功能是移除体内多余水份和清除尿毒症毒素，大大降低了肾功能衰竭患者的病死率[1]
3膜材料的分类
近年来,随着成膜技术的飞速发展,各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。
薄膜材料种类繁多,应用广泛,目前常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。目前很受人们注目的主要有一下几种薄膜。
3.1金刚石薄膜
金刚石薄膜的禁带宽，电阻率和热导率大，载流子迁移率高，介电常数小，击穿电压高，是一种性能优异的电子薄膜功能材料，应用前景十分广阔[2]。
近年来,随着科技的发展,人们发展了多种金刚石薄膜的制备方法,比如离子束沉积法、磁控溅射法、热致化学气相沉积法、等离子化学气相沉积法等.成功获得了生长速度快、具有较高质量的膜,从而使金刚石膜具备了商业应用的可能。
金刚石薄膜属于立方晶系,面心立方晶胞,每个晶胞含有8个C原子,每个C原子采取sp3杂化与周围4个C原子形成共价键,牢固的共价键和空间网状结构是金刚石硬度很高的原因.金刚石薄膜有很多优异的性质：硬度高、耐磨性好、摩擦系数效、化学稳定性高、热导率高、热膨胀系数小,是优良的绝缘体。
利用它的高导热率,可将它直接积在硅材料上成为既散热又绝缘的薄层,是高频微波器件、超大规模集成电路最理想的散热材料。利用它的电阻率大,可以制成高温工作的二极管,微波振荡器件和耐高温高压的晶体管以及毫米波功率器件等。
金刚石薄膜的许多优良性能有待进一步开拓,我国也将金刚石薄膜纳入863新材料专题进行跟踪研究并取得了很大进展、金刚石薄膜制备的基本原理是:在衬底保持在800~1000℃的温度范围内,化学气相沉积的石墨是热力学稳定相,而金刚石是热力学不稳定相,利用原子态氢刻蚀石墨的速率远大于金刚石的动力学原理,将石墨去除,这样最终在衬底上沉积的是金刚石薄膜。
3.2铁电薄膜
铁电薄膜的制备技术和半导体集成技术的快速发展,推动了铁电薄膜及其集成器件的实用化。铁电材料已经应用于铁电动态随机存储器(FDRAM)、铁电场效应晶体管(FEET)、铁电随机存储器(FFRAM)、IC卡、红外探测与成像器件、超声与声表面波器件以及光电子器件等十分广阔的领域[3]。铁电薄膜的制作方法一般采用溶胶-凌胶法、离子束溅射法、磁控溅射法、有机金属化学蒸汽沉积法、准分子激光烧蚀技术等.已经制成的晶态薄膜有铌酸锂、铌酸钾、钛酸铅、钛酸钡、钛酸锶、氧化铌和锆钛酸铅等,以及大量的铁电陶瓷薄膜材料。
3.3氮化碳薄膜
1985年美国伯克利大学物理系的M.L.Cohen教授以b-Si3N4晶体结构为出发点,预言了一种新的C-N化合物b-C3N4,Cohen计算出b-C3N4是一种晶体结构类似于b-Si3N4,具有非常短的共价键结合的C-N化合物,其理论模量为4.27Mbars,接近于金刚石的模量4.43Mbars.随后,不同的计算方法显示b-C3N4具有比金刚石还高的硬度,不仅如此,b-C3N4还具有一系列特殊的性质,引起了科学界的高度重视,目前世界上许多著名的研究机构都集中研究这一新型物质.
b-C3N4的制备方法只要有激光烧蚀法、溅射法、高压合成、等离子增强化学气相沉积、真空电弧沉积、离子注入法等多种方法。在CNx膜的诸多性能中，最吸引人的当属其可能超过金刚石的硬度，尽管现在还没有制备出可以直接测量其硬度的CNx晶体，但对CNx膜硬度的研究已有许多报道。
3.4半导体薄膜复合材料
20世纪80年代科学家们研制成功了在绝缘层上形成半导体（如硅）单晶层组成复合薄膜材料的技术。这一新技术的实现，使材料器件的研制一气呵成，不但大大节省了单晶材料，更重要的是使半导体集成电路达到高速化、高密度化，也提高了可靠性，同时为微电子工业中的三维集成电路的设想提供了实施的可能性。
这类半导体薄膜复合材料，特别使硅薄膜复合材料已开始用于低功耗、低噪声的大规模集成电路中，以减小误差，提高电路的抗辐射能力。
3.5超晶格薄膜材料
随着半导体薄膜层制备技术的提高，当前半导体超晶格材料的种类已由原来的砷化镓、镓铝砷扩展到铟砷、镓锑、铟铝砷、铟镓砷、碲镉、碲汞、锑铁、锑锡碲等多种。组成材料的种类也由半导体扩展到锗、硅等元素半导体，特别是今年来发展起来的硅、锗硅应变超晶格，由于它可与当前硅的前面工艺相容和集成，格外受到重视，甚至被誉为新一代硅材料。
半导体超晶格结构不仅给材料物理带来了新面貌，而且促进了新一代半导体器件的产生，除上面提到的可制备高电子迁移率晶体管、高效激光器、红外探测器外，还能制备调制掺杂的场效应管、先进的雪崩型光电探测器和实空间的电子转移器件，并正在设计微分负阻效应器件、隧道热电子效应器件等，它们将被广泛应用于雷达、电子对抗、空间技术等领域。
3.6多层薄膜材料
多层薄膜材料已成为新材料领域中一支新军。所谓多层薄膜材料，就是在一层厚度只有钠米级的材料上，再铺上一层或多层性质不同的其他薄层材料，最后形成多层固态涂层。由于各层材料的电、磁及化学性质各不相同，多层薄膜材料会用有一些奇异的特性。目前，这种制造工艺简单的新型材料正受到各国关注，已从实验室研究进入商业化阶段，可以广泛应用于防腐涂层、燃料电池及生物医学移植等领域。
1991年，法国特拉斯.博斯卡大学的Decher首先提出由带正电的聚合物和带负电的聚合物组成两层薄膜材料的设想，由于静电的作用，在一层材料上添加另外一层材料非常容易，此后，多层薄膜的研究工作进展很快。通常，研究人员将带负电的天然衬材如玻璃片等，浸入含有大分子的带正电物质的溶液，然后冲洗、干燥，再采用含有带负电物质的溶液，不断重复上述过程，每一次产生的薄膜材料厚度仅有几钠米或更薄。由于多层薄膜材料的制造可采用重复性工艺，人们可利用机器人来完成，因此这种自动化工艺很容易实现商业化。目前，研究人员已经或即将开发的多层薄膜材料主要有以下几种：①制造具有珍珠母强度的材料。②新型防腐蚀材料。③可使燃料电池在高温条件下工作的多层薄膜材料[4]。
4展望
篇13
20世纪20年代~50年代，德国学者W.Osywald从分类学的角度提出了以机械方式诱发化学反应的学科―机械力化学（mechanochemisty）。1962年奥地利学者K.Peters在第一届欧洲粉碎会议上首次发表了题为《机械力化学反应》的论文，把机械力化学定义为：“物质受机械力的作用而发生化学变化或者物理化学变化的现象”。如今，机械力化学被认为是关于施加于固体、液体和气体物质上的各种形式的机械能―如压缩、剪切、冲击、摩擦、拉伸、弯曲等引起的物质物理化学性质变化等一系列的化学现象。如研磨HgCl2时观察到少量Cl2逸出，粉碎碳酸盐时有二氧化碳气体产生，石膏细磨时脱水，石英受冲击后无定形化等，这些都是典型的机械力化学反应。
1 机械力化学效应
机械力化学效应是通过对物质施加机械力而引起物质发生结构及物理化学性质变化的过程。在机械力的不断作用下，起始阶段主要是物质颗粒尺寸的减小和比表面积的增大，但是达到一定程度后，由于小颗粒的聚集而出现粉磨平衡，但并不意味着粉磨过程中粉体的性质不变，事实上它会发生诸多的机械力化学效应。
1．1 晶体结构的变化
在超细粉碎过程中，随着机械力的持续作用，矿物的晶体结构和性质会发生多种变化，如颗粒表面层离子的极化变形与重排，使粉体表面结构产生晶格缺陷、晶格畸变、晶型转变、结晶程度降低甚至无定形化等。例如
γ-Fe2O3α-Fe2O3
石英 硅石
晶型转变是压力和剪切力共同作用的结果。它使物质不断吸收和积累能量，提供了晶型转变所需的热力学条件，产生晶格形变和缺陷，使之向产物结构转变。
1．2 物质物理化学性质的变化
机械力作用引起物质颗粒细化、产生裂纹、比表面积增加等。这些变化最终会引起物质的分散度、溶解度、溶解速率、密度、吸附性、导电性、催化性、烧结性、离子交换能力和置换能力、表面自由能等理化性质的改变。如粘土矿物经过超细磨后，可产生具有非饱和剩余电荷的活性点，导致高岭土的离子交换容量、吸附量、膨胀指数、溶解度、反应能力等都发生了变化。
1．3 机械力化学反应
机械力的作用可引起物质化学键的断裂，生成不饱和基团、自由离子和电子，产生新的表面，造成晶格缺陷，使物质内能增高，处于一种不稳定的化学活性状态，并使许多在常压、室温条件下不能发生的反应成为可能。根据原料的状态可以将反应体系划分为固-固、固-液、固-气三大类。
1．3．1 固-固反应体系
固-固反应体系可以分为以下几种类型
（1）金属与金属氧化物、氯化物之间的固态化学反应。
Me+Me'O(Cl、S)MeO(Cl、S)+ Me'
已研究过的反应体系有：Ag2O/Al，Cr2O3/Zn，ZnS/Al，NiCl2/Mg等。
（2）金属与C、Si、B之间的化学反应，生成高温化合物相。
Me+XMeX
（3）金属与陶瓷之间的化学反应。
Me+X1X2MeX1+MeX2
如Ti+Si3N4TiN+TiSi2
（4）金属氧化物之间的化合反应。
MeO+Me'O MeMe'O
如Fe2O3+MeOMeFe2O3（Me=Zn、Ni、Cu、Mg等）
（5）纯金属间的放热化学反应。如Al/Ni、Al/Ti等反应体系。
（6）化合物之间的固态化学反应。如
ZrCl4+2CaOZrO2+2CaCl2
1．3．2 固-液反应体系
如NiS+H2O=NiO+H2S
固-液反应系统主要是金属与有机溶剂之间的化学反应。液相反应剂一般是含碳或含氮有机物，如庚烷、苯胺等，通过反应可以生成金属碳化物或氮化物粒子。
1．3．3 固-气反应体系
如3SiO2+4N22α-Si3N4+3O2
固-气反应仅适合于活性高、氮化或碳化反应焓很高的体系。一般可选择氮气、分解氨、氨气作为氮源。
2 机械力化学的作用机理
机械力化学反应历程可由图1表示
从图中可看到：无机械力作用时，反应只以很小的速度进行，引入机械作用后，反应迅速增强并随后达到稳态，停止机械作用后，反应速度迅速下降。影响机械力化学反应历程的因素很多，各种因素间的相互作用，加之研究手段不全面，关于机械力化学的机理尚没有一个统一的界定，目前主要有以下几种理论。
（1）等离子体模型。Thiessen等认为，机械力作用导致晶格松弛与结构裂解，激发出高能电子和等离子区。一般的热化学反应温度在高于1000℃时，电子能量也不会超过4eV，即使光化学的紫外电子的能量也不会超过6eV。而机械力作用下，高激发状态诱发的等离子体产生的电子能量可超过10eV，因此机械力化学有可能进行通常情况下热化学所不能进行的反应，使固体物质的热化学反应温度降低，反应速度加快。
（2）固态合成反应模型。席生岐等从扩散理论出发，分析了高能球磨过程中的扩散特点，提出了固态合成反应模型并进行分析计算，结果表明：高能球磨过程中固态反应能否进行，取决于体系在球磨过程中能量升高的程度，而反应完成与否受体系中的扩散过程控制，即受制于晶粒细化程度和粉末碰撞温度。一方面由于颗粒在超细磨过程中，被强烈塑性变形，产生应力和应变，颗粒内产生晶格缺陷和晶形转变、非晶化，能显著降低元素的扩散激活能, 使得组元间在室温下可显著进行原子或离子扩散，颗粒不断冷焊、断裂、组织细化，形成了无数的扩散-反应偶；另一方面，因颗粒表面化学键断裂而产生不饱和键、自由离子和电子等原因，导致晶体内能增高，物质内部迅速发展的裂纹使其顶端温度和压力增高，最终导致物质反应的平衡常数和反应速度常数显著增大。应力、应变、缺陷和大量纳米晶界、相界的产生使系统储能很高，提高了粉末活性，从而有可能引起纳米尺寸下的固相反应，有时甚至可以诱发多相化学反应。
（3）热点理论。机械力作用在固体颗粒上造成的弹性应力是机械力化学效应的重要因素，弹性应力能引起原子水平的应力集中，一般由此而改变原子间的结合常数，从而改变它们本来的振动频率，也改变了原子间距和价键角度，结果改变了化学结合能，使反应能力增大。弹性应力还可引发驰豫，由此形成激化的振动状态可导致化学反应的发生，这种能量在应力点以“热点”的形式出现。虽然宏观温度一般不会超过60℃，但局部碰撞点的温度要远高于60℃，这样的温度将引起纳米尺寸的化学反应，在碰撞点处产生极高的碰撞力，高达3.30GPa~6.18GPa，如此高的碰撞力有助于晶体缺陷和畸变的扩散以及原子的重排，所以局部碰撞点的升温可能是导致机械力化学反应的一个促进因素。
3机械力化学效应的应用
3．1矿物活化与改性
矿物机械活化是指机械作用使矿物局部形成晶格畸变，发生位错，使晶格点阵中粒子排列部分失去周期性，形成晶格缺陷，导致晶格内能增高，表面改性、反应活性增强，以便于矿物浮选富集和提取，从而改善浸出过程。如细磨使铜、铅与锌的分选效率显著提高；氟磷灰石 Ca5F(PO4)3 经机械活化后，氟杂质与混入的SiO2发生机械力化学反应，约有80%的氟以 SiF4 的形式挥发掉，在柠檬酸溶液中的溶解率达到85%，这种脱氟的磷矿石可用作优质的化学肥料。球磨CuFeS2和CuO混合物可形成CuSO4，只要经过水洗，就可以将矿物中的纯铜分离出来。
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机械力化学改性则采用搅拌、冲击、研磨等机械作用使改性剂在被改性的颗粒表面均匀分布包覆，并使颗粒与改性剂之间发生化学作用，以增加它们之间的结合力，从而改变矿物粉体颗粒的表面状态，达到改性的目的。吴辉等以气流磨所产生的超音速气流作为机械力，对硅酸盐矿物硅灰石与硬脂酸进行超细粉碎表面改性。当硅灰石粉碎时,晶体裂开并发生如下变化
2Ca3[Si3O9] Ca3[Si3O9]++Ca3[Si3O9]-
而硬脂酸在粉碎过程中则发生如下变化
CH3(CH2)16COOHCH3(CH2)16COO-
+H+
由于硅灰石与硬脂酸的粉碎、断键是在同一时间同一粉碎腔内进行的，故可能发生如下反应
Ca3[Si3O9]++CH3(CH2)16COO-CH3(CH2)16COOCa3[Si3O9]
经改性后的硅灰石由亲水性变为疏水性，把它添加到高分子材料中，增加矿物与有机高分子材料的相容性，提高矿物粉料在高分子材料中的分散程度，改善工艺加工条件和制品的性能。
3．2 合成纳米材料
机械力化学法制备纳米材料可采用常用的化学原料，具有工艺简单、成本低、易于工业化等特点，是一种具有广阔应用前景的纳米材料制备方法。
如钛酸钡陶瓷具有良好的介电性能，是电子陶瓷领域应用最为广泛的材料之一。传统的钛酸钡合成方法是用BaO或BaCO3和TiO2经高温灼烧（≥900℃）而成， 粒度大、不均匀，难以制备纳米粉体材料。吴其胜等采用高能球磨BaO，锐钛矿型TiO2混合粉体（在氮气保护下），机械力化学法合成了纳米晶BaTiO3，反应式为
BaO+TiO2BaTiO3
反应过程分三个阶段进行：粉磨初期为无定形形成期（0h~15h），混合物颗粒粒度减小，晶格畸变，转变为无定形，并可能形成BaTiO3晶核；粉磨中期为固相反应期（15h~30h）， BaO与TiO2在机械力作用下产生固相反应生成BaTiO3，同时BaTiO3晶粒长大；粉磨后期为动态平衡期（30h以后），此时，固相反应基本结束，晶粒成长与粉磨引起的晶粒减小处于动态平衡，由此得到颗粒尺寸为10nm~30nm的BaTiO3。
采用球磨金属氯化物和Na、Mg等还原剂的方法可制备纯金属纳米材料和合金纳米材料，已制得的体系有Fe、Ni、Co、Cu和Fe-Cu合金。
近几年来，把金属与陶瓷(如纳米氧化物、碳化物等)通过机械力复合在一起，已获得具有特殊性质的新型纳米复合材料。Nicholas 等采用机械力化学原理制备Al2O3基TiC、TiN等纳米复合材料，反应式分别如下
1.5TiO2+2Al+1.5C1.5TiC+Al2O3
1.5TiO2+2Al+0.75N21.5TiN+Al2O3
制得的复合粉末经1000℃退火1h、热压成型制备纳米复合材料，其硬度达19GPa~30GPa，Al2O3晶粒尺寸为30nm~50nm，钛相为25nm~50nm。
3．3 合成高分子材料
机械力化学在有机高分子合成中的应用主要有3个方面：高分子聚合、高分子缩合及无机材料表面接枝高分子聚合物。
（1）高分子聚合。机械力化学在高分子聚合中可代替引发剂引发聚合反应。一般的高分子聚合中往往要加入引发剂，作用是在外因作用下首先发生分解或氧化还原产生自由基或正负离子，引发单体聚合。Oprea等用实验证实不用任何引发剂或催化剂，就可以用振动磨将丙烯腈单体制得聚丙烯腈高聚物。主要原因是在机械力及单体的腐蚀作用下，设备表面的金属产生活化作用并产生金属细末，参与聚合物的合成；另一方面金属活化过程中产生激发电子，使得已被振动磨部分活化的聚丙烯腈生成自由基和负离子，可引发其他丙烯腈高分子的聚合。
（2）高分子缩合。高聚物在机械力作用下，键可发生断裂，生成大分子自由基，这时若遇合适的小分子，可发生高分子缩聚。Christofor Simionescu等用超声波使聚对苯二甲酸乙二酯和乙二胺通过机械力化学缩聚形成聚酯-聚酰胺碎片，然后与三价V3+作用，形成以三价钒为中心的复合物。
（3）高聚物接枝。现代新技术的发展对高分子材料提出了更高的要求，如耐高温、导热导电、防辐射、具有铁磁性等，解决这一问题的方法之一就是在高分子中引入无机物。把无机材料和高聚物一起研磨，通过机械力化学作用，高分子聚合物可发生裂解、环化、离子化、异构化等化学变化，无机材料表面产生晶格畸变和缺陷，表面自由能增大，引起化合键断裂和重组，可以在新鲜断裂表面出现不饱和键和带正电和负电的结构单元，这样聚合物链键断裂产生的游离基或正负离子遇到无机材料经机械力活化产生的新鲜表面，就可能形成接枝高聚物。
无机材料的高聚物接枝改性方法有两种：一种是将无机材料与聚苯乙烯、聚丙烯等高聚物一起研磨；一种是将无机材料与单体研磨共聚，如在苯乙烯单体中研磨碳酸钙。这两种方法都能得到疏水性极好的无机粉体，在涂料与塑料工业中得到广泛应用，效果良好。
3．4有毒废物降解
采用机械力化学方法处理有毒废物，有可能开发出在常温、常压下处理剧毒物的新方法，使有毒废弃物能就地得到及时有效处理，避免其长期堆放污染环境。如难处理的有机氯合物，如PVC、多氯联苯、DDT等。机械力化学法不仅可破坏它们的结构，还可诱发它们和CaO或其他合适的反应剂之间的化学反应，形成无毒的无机氯化物。许多塑料制品经机械力化学处理后，发生机械力化学分解，聚合度可下降80%。通过高能量机械力的作用还可破坏蛋白质的高分子结构，从而使它能从废液中较快地沉降下来，便于焚烧处理。用机械力化学法处理含镉废水可使镉的还原速率加快数倍。
4 展望
机械力化学理论的提出已有数十年时间了，但由于实验条件的不可比性，使得难以归纳总结上升到更高的理论层次；另外，人们的工作多限于针对某一现象或某一应用课题的研究，却少有关于各种机械力化学现象背后普遍规律的探讨；机械力化学法通常需要长时间的机械处理，能量消耗大，研磨介质的磨损，还会造成对物料的污染。因此，设计新的高效机械活化设备，以最小的能耗获得最大活化效果也是值得研究的课题。可以预见，随着研究的深入，机械力化学将具有广阔的工业应用前景。
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