物理化学研究进展

物理化学方面的研究进展

摘要：现在科学发展呈现多学科交叉融合，共同发展的趋势，物理化学与其他学科相互交叉促进。物理化学，在自然科学和社会发展中具有重要作用。本文简单介绍了物理化学的大致研究内容，并就能源催化和生物材料两方面具体介绍了物理化学作用的重要意义。

关键词：物理化学、能源与催化、生物材料

前言

物理化学是一门理论紧密联系实际的科学，在自然科学和社会发展中具有重要作用。物理化学在化学学科中具有重要地位，主要研究化学体系的宏观平衡性质、微观结构和性质以及动态性质。其中宏观平衡性质，包括化学热力学、溶液、胶体和表面化学等；微观结构和性质，包括结构化学和量子化学等；而动态性质，包括化学动力学、催化化学、光化学和电化学等。

物理化学在能源与催化和生物材料等方面起着日益重大的作用。利用对材料物理化学性质仔细而深入的研究，可以通过分子识别和自组装，设计高性能的分子器件和特殊材料；通过对生命机体中某些特定过程的识别和组装的模拟，来了解生命过程的机理及模拟生物催化；通过对主体的选择性识别的研究，寻找更为有效的分离技术等。[1]

1、物理化学在能源与催化方面的应用

当今社会化石能源的日益枯竭及所带来的污染问题已引起全世界的广泛关注，能源相关的研究对于经济发展至关重要，而物理化学中的催化化学现在正是研究热点之一，无论是清洁高效利用传统能源，还是开发利用新能源，催化化学都是一种不错的手段。

生物柴油作为一种可以化石能源的替代品，具有成本低、无污染和可再生等优点，是一种可再生的“绿色能源”。生物柴油的制备有多种方法，最常用的是酯交换法。在酯交换反应过程中，催化剂起关键性作用。但目前催化剂在反应过程中，还存在选择性有限、使用寿命较短和通常循环次数较少等问题，制备生物柴油的固体酸和固体碱催化剂可以较为有效的解决一些问题。固体催化剂催化效率高、催化剂不宜中毒且易与产品分离，现在研制廉价和高效的催化剂仍是生物柴油领域的研究热点。[2]

另外，通过生物油水蒸汽催化重整制氢将生物油转化为更高品位能源[3]、燃料电池中的纳米Pt 催化剂和用于锂离子电池中的阳极和阴极材料[4]等都是物理化学在能源与催化方面的应用。

2、物理化学在生物材料方面的应用

物理化学在生命科学领域起着相当重要的作用，化学热力学可以用来探究生物代谢过程中的热量变化，对生物（尤其是细菌等微生物）进行定量研究；结构

化学和量子化学可以用来解释许多生命体系中的问题，例如DNA双螺旋结构的确立就是物理化学中的结构化学和生命科学中的遗传学概念相结合的典范；生物电化学是讲物理化学应用于生命科学的典型例子，可以通过了解细胞膜电势的变化可以判断细胞是否进行正常的生理活动，例如心电图、脑电图、肌动电流图等。

[5]现在，物理化学在生物科学研究中的重要性变得越来越显著。无论是对生物化学反应的方向、限度，反应中能量变化的研究，还是反应速度、机理都离不开物理化学；对生物体的研究手段，所用仪器的原理也都离不开物理化学；医学教育中许多重要的医学基础课的教学、科研也同样离不开物理化学。[6]我们已经知道物理化学在对高分子材料研究具有重要意义，例如由石墨烯片层组装构建而成的宏观形态的新型碳质材料，不仅保持了石墨烯片层良好的物理化学性质，同时具有可调控的微纳织构和宏观形态；（图1）[7]纳米碳管填充制备特殊性质的纳米碳管复合物—组装体、一维纳米导线和纳米反应器等（填充或吸附于其中的客体分子可发生物理化学变化），Rice大学利用脉冲激光法制备的部分单壁纳米碳管(1.3-1.4nm )中包含成串的C60分子（图2）。[8]

图1. 石墨烯基宏观体材料和潜在的应用

Fig. 1 Graphene-based macroforms and their potential applications.

图2、单壁纳米碳管(1.3-1.4 nm )中包含成串的C60 分子FIG. 2. SAD pattern of an isolated SWNT rope, where the tubes are filled

with C60 .

由于物理化学同时在生命领域和高分子材料方面具有重要作用，那么是不是可以通过物理化学的方法将生命科学和高分子材料紧密的联系在一起呢？答案是肯定的。

高分子材料以其优良的机械性能和力学耐久性在临床上被广泛地用作医用装置(如人工血管及透析器等)和组织工程用支架材料，但是在生物相容性等方面表现的却不尽人意，通过物理化学表面改性的方法可以有效改善材料表面性能。物理化学表面改性包括等离子体表面改性、表面自组装分子层等所有改变材料表面的物理与化学性质的技术。[9]

通过氢键、静电相互作用、疏水亲脂作用、范德华力等弱相互作用力在高分子材料表面自组装一层聚合物分子，还可通过控制自组装单分子层表面基团种类, 改变材料表面能量状态、电荷状态、蛋白质吸附行为及细胞生长行为。[10]宫铭

等用含磷酰胆碱基团小分子及聚合物进行仿细胞膜结构改性。（图3）[11]

图3、两亲性磷酰胆碱聚合物表面/界面结构转化示意图Fig. 3.Structure reorganization of amphiphilic PC polymer on surface and at the

film-water interface

展望

物理化学是一门与物理、化学、生物等多门学科相互交叉的，有着重要实际应用意义的学科。很多物理化学的相关概念和技术对生物学科来说都有着相当重要的参考和借鉴意义，希望以后可以通过物理化学对生物材料的发展做出更多贡献。

References:

[1] 殷开梁, 徐端钧, 徐元植, 孙小强. 超分子体系的物理化学研究进展. 化学进展. 1997: 3-14.

[2] 张秋云, 杨松, 李虎. 制备生物柴油的固体酸催化剂研究进展. 化工进展. 2013:

575-583+591.

[3] 李键铭, 郎林, 杨文申,阴秀丽, 吴创之. 生物乙醇重整制氢催化剂载体研究进展. 石油学报

(石油加工). 2013: 911-919.

[4] 许军舰, 朱晓文. 物理化学学科前沿与发展——“化学的创新与发展论坛”苏州大学分论坛

纪要. 中国科学:化学. 2014: 403-406.

[5] 聂增荣, 沈雪松. 物理化学与生命科学的相互交叉促进. 桂林医学院学报. 1995: 110-111.

[6] 袁曼勤. 物理化学在生物科学研究中的应用. 承德医学院学报. 1987: 81-85.

[7] 张丽芳, 魏伟, 吕伟, 邵姣婧, 杜鸿达, 杨全红. 石墨烯基宏观体:制备、性质及潜在应用. 新

型炭材料. 2013: 161-171.

[8] Smith BW, Russo RM, Chikkannanavar SB, Luzzi DE. High-yield synthesis and one-dimensional

structure of C60 encapsulated in single-wall carbon nanotubes. Journal of Applied Physics.2002, 91: 9333-9340.

[9] 姚婉清. 抗凝血性高分子生物材料的表面改性方法研究进展. 嘉应学院学报. 2010: 53-57.

[10] 刘海林, 马晓燕, 袁莉, 黄韵. 分子自组装研究进展. 材料科学与工程学报. 2004: 308-311.

[11] 宫铭, 杨珊, 张世平, 宫永宽. 生物医用材料表面仿细胞膜结构改性. 化学进展. 2008, 20:

1628-1634.