现代化学进展 第三章

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于酶的重要发现，即T．R．Cech和S．Attman发现RNA的酶 活性。
5．脑科学 在现在生命科学中，脑科学处 于正在上升的地位。脑的高级功能 来自于脑的特殊结构。脑组织中约有100亿个神经细胞。 通过神经细胞的信息传通，是由一个神经细胞释放神经递 质通过神经问的突触而结合在另一个神经细胞膜的受体上 完成的。神经递质都是一些小分于。有兴奋性神经递质 (如谷氨酸、乙酸胆碱等)和抑制性神经递质(Y—氨基丁酸、 甘氨酸等)。在学习和记忆过程中，神经细胞NMDA受体可 能起着关键作用(如图7所示)。
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1．新型导电材料
（1）半导体材料 自从固体物理学家发现了纯半导体材料硅和锗后，新 型半导体材料的研究吸引着越来越多的科学家，可用于半 导体的材料也愈来愈多。已经发现的混合型半导体为周期 表第III主族与第V主族(磷、砷、锑)所产生的化合物，如 锑化钢、砷化镓、磷化钢等。无定形半导体是由无定形硅 制成。 （2）超导材料 如前所述，人们努力创造各种超导体以提高临界转变 温度。到1991年有两项重要发现：一是有机超导体的临界 转变温度达到12.5K；另外,发现碱金属掺杂的C也具有超
（4）热敏元件陶瓷 半导体热敏陶瓷(PTC)具有正的温度系数，当温度上 升到相变温度时，电阻急剧增大，可用于各种温控元件， 如电热器、电饭堡、烤箱、干燥器等。湿敏元件其相对温 度为90％，电阻4.24，可用于空调机。 新型陶瓷材料发展较快，超导材料实际上也是一种新
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型陶瓷，当然由于陶瓷材料的特殊性能，在研究和开发其 应用前景时，需要不同学科交叉，共同来研究和探索出新 的功能材料。
（3）有机导体
能导电的有机固体是近年来发展较快的一个新兴领域。 一般认为有机化合物是电绝缘体，在已经有的几百万种有
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机化合物中，大多数确是绝缘体。1974年日本的白川英树 等在高浓度催化剂作用下合成了具有金属光泽的高顺式聚 乙炔薄膜，后经AsF5或I2掺杂后，呈现了明显的金属特性， 电导率可达105。这比未掺杂前提高了十几个数量级。随 后的研究相继发现了多种不同结构的导电高分子，如聚— 1，4—亚苯、聚吡咯、聚苯硫醚、聚嚏吩、聚—1，4—亚 苯基乙烯、聚苯胺等，经掺杂后可产生高电导率；并在光、 电、磁及热电动势性能方面开展了深入研究，提出了孤子 理论，极化子和双极化子理论等，成为一门新兴的交叉学 科。
3．人类基因组计划 人类基因组计划是生命科学中迄今为止最浩大的工 程，也是目前人体科学研究的一个主流，是从认识外在世 界的科学规律转向认识人类自身的一项生命科学重大基础
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研究。完成人类基因组计划要测定约10万条基因的结构和 位置，以及这些基因的全部3×109个核苷酸的序列。21世 纪初，这项研究无疑地成为生命科学的首要任务。这一部 分工作主要由生物学家去做，那么化学研究者可以做什么? 这是值得认真考虑的。
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（2）液晶和有机电致发光材料
随着信息技术的兴起，巨大的 显示器需求促使液晶材料飞速发展。
电子显示是电子工业在20世纪末继
微电子和计算机之后的又一次大发 展机会。1994年-2000年，全球显示
器销售额从194亿美元增加到337亿美元。特别是笔记本 电脑、各类通讯设备和日用电子产品的普及以及环保的要 求，工作和家用电脑也逐步采用平板显示器，预期平极显 示器生产将成为21世纪信息社会的支柱产业之一。
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（2）陶瓷基复合材料
为改变陶瓷的脆性，将石墨或聚合物纤维包覆在陶瓷 中，制成的复合材料有一定的韧性，不易碎裂，且还可在 极高的温度下使用。这类陶瓷基复合材料可望成为汽车、 火箭发动机的新型结构材料。金属网陶瓷基材料具有超强 刚性，可作为防弹衣的材料。 （3）金属基复合材料 在金属表面涂层，可以保护金属表面或赋予金属表面 某种特殊功能，如金属表面涂油漆以抗腐蚀；金属表面作 搪瓷内衬可制造化学反应釜；金属表面镀铬使表面光亮； 金属表面涂以高分子弹性体赋予表面韧性，可作为抗气蚀 材料用于水轮机、汽轮机的不锈钢叶片上，延长其使用年
第三章 交叉学科和热点研究领域
近代科学发展特别是科学上的重大发现和国计民生中 的重大社会问题的解决，常常涉及不同学科的相互交叉和 相互渗透。学科交叉逐渐形成一批交叉学科，如化学与物 理学的交叉形成了物理化学和化学物理学，化学与生物学 的交叉形成了生物化学和化学生物学，物理学与生物学交 叉形成了生物物理学等。这些交叉学科的不断发展大大地 推动了科学进步，因此学科交叉研究体现了科学向综合性 发展的趋势。科学上的新理论、新发明的产生，新的工程 技术的出现，经常是在学科的边缘或交叉点上，重视交叉 学科将使科学本身向着更深层次和更高水平发展，这是符 合自然界存在的客观规律的。由于现有的学科是人为划分 的，而科学问题是客观存在的，根据人们的认识水平，过
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相对自由旋转运动引起的，但空间立体构象的不同，有其 微小的能量差别。或许不同的DNA有不同的空间立体构象 的选择性，这是否与手性识别有关?当然这是一个构象信 息，也是目前化学研究中的一个重要问题。有90％左右的 DNA的功能和作用还没有完全了解。这是一个很广泛和复 杂的研究领域。有待2l世纪人们的努力。数以亿计的DNA 核苷酸单元不是一个小数目，要投人大量的研究力量，才 有可能逐渐搞清楚。
4．酶结构和催化功能的关系研究 生物体内进行的各种生物—化学反应，均藉助于酶 的催化功能。迄今为止，所研究的酶绝大多数都是蛋白质。 在酶的发现、结构、作用机理及模拟酶方面已经取得很多 进展，但是所研究的酶只能说是酶中的一小部分。即使这 些研究过的酶也只能了解其一部分。今后发现断酶，深人 研究酶结构还是有许多工作要做的。20世纪后期有一个关
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去只有天文学、地理(地质)、生物、数学、物理、化学六 个一级学科；而经过20世纪科学的发展和交叉研究，又逐 渐形成了新的交叉学科，如生命科学、材料科学、环境科 学等。下而将分别展望一些交叉学科和可能成为热点的研 究领域的动向。 一、生命科学
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1．生命的基础物质研究
构成生物的生命活性物质有蛋白质、核酸、糖等生物 大分子和激素、神经递质、细胞因子等生物小分子。目前 已经研究和确定了许多生物大分子的结构。 2．遗传物质的作用 人体基因组中有数以亿计的DNA核苷酸单元，其中真 正用于规定蛋白质中氨基酸序列的密码约占10％左右，那 么其余90％左右的DNA核昔酸单元起什么作用?最近研究表 明，DNA核苷酸序列中还表达一类为DNA构象编码的信息。 如人体内组成蛋白质的氨基酸均为L—构型，为什么?与州 A有关的空间立体构象的变化虽是由于围绕着单键的
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1100℃提高到1370℃，而热效率从60％提高到80％，是理 想的发动机材料。但其致命缺点是脆性。近期研究表明： 用不同配比的各种原料和陶瓷复合材料制成的纳米级原材 料经烧结可提高韧性。这一发现吸引了许多研究者，成为 国际上研究的热点。预期合成陶瓷研究将使全陶瓷内燃机 尽快成为现实。这是21世纪的新挑战，将使汽车发动机、 喷气发动机、刀具、模具等方面面貌一新。
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（4）有机磁性材料
近十余年来，科学家预言了几种具有特殊结构的有机 化合物和高分子化合物可能具有磁性，如高分子—金属配 合物、分子内含氮氧稳定自由基团结构的有机化合物、平 面大π键结构的有机物以及电子转移复合物。化学家在这 四方面的探索颇有成绩。如以二茂铁为原料合成出室温下 具有磁性、居里温度达摄氏200多度的高分子金属配合物， 并发现用它们做成的磁性元件对电磁波的传输具有明显的 低频率损耗系数和低湿度损耗系数的特点。这些动向说明 有机磁性材料在高频电磁波通讯领域有潜在用途。
4．复合材料 （1）聚合物基复合材料 主要是指纤维增强聚合物材料。如将碳纤维包覆在环 氧树脂中使复合材料强度增加，用于制造网球拍、高尔夫 球相和滑雪橇等。玻璃纤维复合材料为玻璃纤维与聚酯的 复合体，可以用于结构材料，如汽车和飞机中的某些部件、 桥体的结构材料和船体等，其强度可与钢材相比。增强的 聚酰亚胺树脂可用于汽车的“塑料发动机”，使发动机重 量减轻，节约燃料。
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限；在纯的硅晶片上复合多层有专门功能的物质可用子计 算机的集成电路片。近年来出现的钢—硼纤维，
5．生物医学材料 由生物分子构成生物材料，再由生物材料构成生物部 件。生物体内各种材料和部件有各自的生物功能。它们是 “活”的，也是被整体生物控制的。生物材料中有的是结 构材料，包括骨、牙等硬组织材料和肌肉、腔、皮肤等软 组织；还有许多功能材料所构成的功能部件，如眼球晶状 体是由晶状体蛋白包在上皮细胞组成的薄膜内而形成的无 散射、无吸收、可连续变焦的广角透镜。在生物体内生长 有不同功能的材料和部件，材料科学的发展方向之一是模 拟这些生物材料制造人工材料。它们可以做生物部件的人 工
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2．新型光学材料
（1）非线性光学材料 这是一种广泛应用子倍频器件、激光唱盘、激光订印、 彩色打印、自聚焦透镜、红外成像、纤维光学等高科技领 域的新型光学材料，在无机材料方面如BBO(偏硼酸钡)是一 种优质的紫外倍频晶体材料，能输出最短的相干光波长， 倍频效应大，抗光损伤能力高，调谐温度半宽度宽，广泛 用于激光技术中。
（2）电气陶瓷 它以氧化铝为主体，经1500-1900℃烧结面成。 具有压电陶瓷性能，就可实现机械能与电能的相互转变， 用于压电振子、电波滤波器、压电变换器、通话器、声纳 探伤器、点火器、毛发干燥器等。 （3）超硬陶瓷材料
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金刚石是一种天然“陶瓷”。人造全刚石已进入工业 生产。因为全刚石以碳结构为主，其高温抗氧化性能较差。 现已研制出氮化硼材料，硬度仅次于全刚石，但高温抗氧 化性能好。金刚石在800℃开始氧化，而立方氮化硼在 1200℃才开始氧化，这使它在耐高温超硬陶瓷材料方面有 良好应用前景。
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代替物，也可以在非医学领域中使用。前者如人工瓣膜、 人工关节等；后者则有模拟生物教合剂、模拟酶、模拟生 物膜等。
6．新型合金材料 （1）轻质合金 铝-锂合金具有高比强度、高比刚度且相对密度小 (2.5)的特点，如用作现代飞机蒙皮材料，一架大型客机 可减轻重量50kg。以波音747为例，每减重1Kg，一年获利 2000美元。钛合金相对密度为4.55，比钢轻，耐腐蚀，无 磁性，强度高，用于舰艇材料。 （2）贮氢合金 未来能源的开发中，氨是一种发热高、无污染、无公
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导性，临界转变温度达33K。到1993年俄罗斯L．N．Grigor ov发现了经过氧化的聚丙烯体系能在300K呈现超导性。他 采用Ziegler聚合法合成的聚丙烯溶于溶液后，沉积于铜 或钢的基体上，形成厚度为0.3—100μ m的PP薄膜，经过3 年空气中氧化后(或采用紫外线照射后放置几个星期)，发 现有一些局部超导点，其转变温度大于300K，局部超导点 的直径＜0.1μ m这是有机超导体研究中所报导的唯一的转 变温度，还要进一步证实。但有机超导体在短短的26年历 史中，出现如此举世瞩目的结果，提示了未来追求的目标。
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6．模拟生命过程和生命体系的合成
生命过程小的基础物质——蛋白质、核酸、糖和一些 激素分子等，通过20世纪的研究已相继确定了它们的结构，
பைடு நூலகம்
并通过化学和生物方法可以进行合成。但这些基础物质如 何配合起来产生生命现象和生命活动，则需要进一步研究。 现今这方面的研究途径大体上有：模拟生命过程，合成生 物功能分子及其类似物，组装成模型生物功能结构等等。 人们注意到其中文要问题是生物分子问的相互作用，以及 反应与反应间相互影响问题。 二、材料科学
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（3）光开关材料
在处理光信号的过程中需要一种光学装置来开关、放 大及储存光信号。设计合成这种光学装置的材料是至关重 要的。正如以硅为基片的装置可以处理电信号一样，目前 的这种光装置所用的光开关材料是铝酸锂、砷化镓铝等。 近年来的研究表明，一些新材料如聚乙炔、手性有机分子、 液晶等显示了更优越的光学性能。在光开关材料这一领域 中，新的发现及其实际应用的潜力都很大。 3．新型陶瓷材料 （1）工程陶瓷 目前有氮化硅、碳化硅，硅化钨、二氧化铝、三氧化 铝等。这些材料具有耐热、高硬度、耐磨、耐腐蚀、相对 密度小等特点。若能用于燃气轮机，可使工作温度从目前