如何寻找原子内部结构与物质特性之间的规律
2012年3月15日星期四50年前，量子力学问世以后，有人用量子力学理论去研究原子内部结构及其相互作用的规律，从而诞生了量子化学这门学科。量子化学指导人们去探幽索微，寻找原子内部结构与物质特性之间的规律。如果掌握了这个规律，就可以用它来预测材料的性能，并且按人们预定的要求，像设计机器和房屋一样设计晶体和分子，工厂也就可以按这种设计来生产材料了。这种新方法称为“分子设计”，也就是按指定性能设计材料。那么比原子更小的微观粒子又是怎样构成这五彩缤纷的物质世界的呢?原来，原子又是由原子核和电子所组成的。许多电子沿着一定轨道围绕原子核运动，就像太阳系的行星围绕太阳运转一样.量子化学告诉我们，一个化学反应能不能进行，除了反应条件以外，主要取决于反应物质的电子结构和它们的分布状态，这叫做“电子构型”。而电子的运动又使原子与原子相互结合。人们把这种由于电子运动使原子产生聚集的结合力叫作“化学键”.由于化学键最终决定了化学反应的过程，因此，它是形成材料性质最基本的因素。诸如材料的密度、硬度、弹性、磁性以及光学性质等，都是由化学键决定的。化学键一般有离子键、共价键、金属键和分子键等四种.例如，具有离子键的材料熔点高、绝缘性好、热胀系数小，各种氧化物材料多属于这类键性;具有金属键性的材料，表现出导热、导电、塑性好等典型金属性质。量子化学是打开化学反应宝库的“金钥匙”。它是怎样为分子设计和研制新材料开辟新道路的呢?由于不同电子构型元素的化学键是不同的.因此，当人们了解一种元素的电子构型以后，就可以进一步探索化学键与元素性质之间的关系以及它们的变化规律，为分子设计提供理论依据。比如说，为了解决稀缺材料的代用问题，可以用化学键相似的元素制成性能相同的材料一例如，金刚石是由碳元素组成的，它是材料世界硬度“冠军”。人们在寻找天然金刚石的代用品时，发现氮和硼在化学元素周期表中正好在碳的两边，它们可以形成和碳一碳键类似的四面体对称原子键，这种氮硼键的强度很高。于是人们根据这一原理制成了立方氮化硼这种新型硬质材料。又例如氮，它在一般情况下是气体;磷，易燃;砷是能导电的非金属;锑和秘是金属.它们的性质迥然不同。但是量子化学研究表明，它们都具有相同的电子构型，是属于同一族的元素.从不同性质的元素中找到了相似处，为人们进行分子设计提供了一条新的认识途径。 近年来，在电子计算机的配合下，已经能够对化学键的电子能级、电荷分布、键长等参量进行计算。通过计算，人们可以知道破坏某一分子的化学键需要多少能量，从而自由地打开这种化学键，把不需要的分子“剪裁”下来，甚至再“接上”所需要的分子，按人的心愿合成出新的分子。电子计算机是怎样帮助人们进行分子设计、创造新材料的呢?我们可以把现有的化学知识，按它们的特点和规律编成一定的定量关系式，然后再翻译成电子计算机的“语言，’(程序)，让电子计算机“记住”这些化学反应、作用机理以及成千上万种化合物的名称、立体结构和性能等。在探索新的化合物时，人们只要把新化合物的性能要求“告诉”电子计算机，计算机就能帮助设计出新的化合物分子，并提出合成这种新化合物的合理方法，判断和推测新化合物的各种性能. 目前，许多新型材料的分子设计方案已经初见端倪.例如，新型塑料、化纤和橡胶制品的“高分子设计”，探索各种无机功能材料的“功能材料设计”，研究新型合金的“合金设计”等。量子化学和分子设计正在改变“配方和炒菜”式的传统研制材料方式，为研究化学反应、寻找新材料开辟一条崭新道路。将来，有可能使化学制取材料不必经过中间试验阶段，而直接从实验室过渡到设计投产。新材料的合成，只要通过对化学键的计算重新组合就成了.分子设计创造新材料，预示着人类将要摆脱对天然材料的依赖，使材料的生产和应用发生根本性变革，其远景是非常令人乐观的。从金属材料的发展前景来说，人们根据理论计算，发现金属的强度比现在使用的金属材料的实际强度要大几百倍甚至上千倍。那么为什么通常使用的金属材料强度这样低呢?这是因为组成金属晶体的原子排列不规则，没有排列在它们应该所在的位置上，形成了所谓“位错”的缘故。近年来，金属学家果然制造了一种没有位错的晶须材料，叫做金属胡须。到1970年，已经从20种化学元素,30种化合物做出了晶须。经过试验，它们的强度和理论计算数值很近孩。用这种金属胡须和塑料、陶瓷制成复合材料，强度可以成千倍地增加。这一发现大大开阔了人们的眼界。今后如果能够制造出和理论计算相接近的金属材料，一根钢丝也许会比现在的钢梁还要结实，建造一座铁桥只需要钢丝一类的材料就行了。到那时候，新材料的研制和生产，就好像《一千零一夜》里的阿拉丁得到神灯一样，它几乎无所不能，样样顺人心意。我国幅员辽阔，陆地和海洋资源非常丰富。我们要针对我国资源的特点，向国外先进科学技术学习，探索规律，总结经验，加强基础科学研究.在不断提高原有材料性能的基础上，大力发展新型材料。可以预期，具有我国资源特色和按指定性能设计的新型材料，必然随着材料科学技术的长足发展而与日俱增。“北京北京航锐通技术发展有限公司”为你提供专业的技术资讯、行业新闻、热点新闻，希望对您有帮助。北京北京航锐通技术发展有限公司专业生产防锈油、防锈剂、防锈水、防锈液、封闭剂、银保护剂、铜抛光铜保护剂、脱水剂、不锈钢防锈钝化剂、抗盐雾添加剂、耐盐雾防锈产品、水性防锈产品、等等。本司可根据客户不同需求,研制相对应的产品。更多关于本司详情请登录本司网站：http://www.hthrt.com/http://www.hthrt.com/news/category-1.html/本资讯是由“北京北京航锐通技术发展有限公司”为您提供，转载请注明出处！
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