1、第三講 化學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系,化學(xué)與材料科學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué) 化學(xué)與能源科學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué),化學(xué)與材料科學(xué),材料是指經(jīng)過(guò)某種加工(包括開采和運(yùn)輸)，具有一定的組成、結(jié)構(gòu)和性能，適合于一定用途的物質(zhì)，它是人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)今國(guó)際社會(huì)公認(rèn)，材料、能源和信息技術(shù)是新科技革命的三大支柱。,化學(xué)與材料科學(xué),一種嶄新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，往往需要嶄新材料的支持，反過(guò)來(lái)，先進(jìn)的技術(shù)又促使了具有前所未有性能的新材料的誕生?，F(xiàn)代的材料技術(shù)正同其它高技術(shù)互相支持、共同發(fā)展。 目前世界上傳統(tǒng)材料已有幾十萬(wàn)種，而新材料正以每年5的速度在增加。 化學(xué)元素周期表中已有90多個(gè)元素在工業(yè)上全部被采用。,化學(xué)與材料

2、科學(xué),第1代材料自然的恩賜，石器、骨器等 第2代材料金屬冶煉技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，青銅、鋼鐵以及各種合金材料。金屬成為主導(dǎo)材料。 第3代材料合成材料的時(shí)代。20世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的高分子材料，擴(kuò)大了材料的品種和范圍，推動(dòng)了許多新技術(shù)的發(fā)展。,人類對(duì)材料的認(rèn)識(shí)和利用，經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的探索、發(fā)展的歷史進(jìn)程。,化學(xué)與材料科學(xué),第4代材料復(fù)合材料時(shí)代。近幾十年來(lái)，新型無(wú)機(jī)非金屬材料異軍突起，發(fā)展極快，在材料世界中，和金屬材料、有機(jī)高分子材料形成三足鼎立之勢(shì)。復(fù)合材料在能源開發(fā)、電子技術(shù)、空間技術(shù)、國(guó)防工業(yè)和環(huán)境工程等領(lǐng)域中大顯身手。,化學(xué)與材料科學(xué),第5代材料智能化材料時(shí)代。本身具有感知、自我調(diào)節(jié)和反饋的能

3、力，即具有敏感（能感知外界作用）和驅(qū)動(dòng)（對(duì)外界作用做出反應(yīng)）的雙重功能，如同模仿生命系統(tǒng)的作用一樣。它能像人的五官感知客觀世界；又能能動(dòng)地對(duì)外作功，發(fā)射聲波，輻射熱能和電磁波，甚至促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和改變顏色等類似于生命體的智慧反應(yīng)。,化學(xué)與材料科學(xué),材料化學(xué)是研究材料的制備、組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其應(yīng)用的一門科學(xué)。它既是材料科學(xué)的一個(gè)重要分支，又是化學(xué)學(xué)科的一個(gè)組成部分，具有明顯的交叉學(xué)科、邊緣學(xué)科的性質(zhì)，并且是材料科學(xué)的核心部分，具有明顯的應(yīng)用理科性質(zhì)，在理論和實(shí)踐上的重要性是不言而喻的。,化學(xué)是材料科學(xué)的重要基礎(chǔ)學(xué)科之一；材料是化學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。,化學(xué)與材料科學(xué),大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，在給定的外界

4、條件下，若材料的化學(xué)成分固定時(shí)，材料的性能（力學(xué)、物理及化學(xué)性質(zhì)）只取決于材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和組織，即在材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能三者中，結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵作用。不僅材料的化學(xué)組成對(duì)材料的最終性能產(chǎn)生重大影響，而且各種物理結(jié)構(gòu)和形態(tài)也會(huì)對(duì)最終的使用性能起重要作用。這一方面為材料的研究和開發(fā)帶來(lái)一些不利因素，但另一方面又為獲得性能更加優(yōu)異的材料提供了潛在的多種可能。這也是材料科學(xué)蓬勃發(fā)展的一個(gè)重要原因。,化學(xué)與材料科學(xué),金屬材料學(xué)是材料科學(xué)中最先形成的一個(gè)分支，也是構(gòu)成當(dāng)代材料科學(xué)的基礎(chǔ)和骨架。金屬材料學(xué)是研究金屬材料的成分及制備工藝、組織結(jié)構(gòu)、材料性能和使用性能這四個(gè)要素以及它們之間相互關(guān)系的科學(xué)。,純金屬

5、一般具有良好的塑性，但其機(jī)械性能往往很難滿足工程技術(shù)等多方面的需要，因此金屬材料常以合金的形式使用。,化學(xué)與材料科學(xué),輕質(zhì)合金以輕金屬為主要成分的合金材料。強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，滿足了人類航空、航天的夢(mèng)想！已廣泛應(yīng)用的輕質(zhì)合金有鋁合金、鋁鎂合金、鋁鋰合金等。 形狀記憶合金 稱為 NT 合金 ，20 世紀(jì) 60 年代初期發(fā)現(xiàn)的，它是一種特殊的合金，有一種不可思議的性質(zhì)，即使把它揉成一團(tuán)，一旦達(dá)到一定溫度，它便能在瞬間恢復(fù)到原來(lái)的形狀。具有這種形狀記憶效應(yīng)的合金，除了鎳鈦合金外，還先后發(fā)現(xiàn)銅鋅、金鎘、鎳鋁等約 20 種合金，其中“記憶力”最好的是 NT 合金。可用于溫度控制裝置、集成電路引線、汽車零件與

6、機(jī)械零件外，由于其與生物體的相容性好、耐蝕性強(qiáng)，還可用于骨折部位的固定、人造心臟零件、牙齒矯正等醫(yī)用材料。,化學(xué)與材料科學(xué),儲(chǔ)氫合金具有良好的可逆吸放氫性能的合金，是解決氫能規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)的重要途徑。 目前已知的儲(chǔ)氫合金有鎂一鎳合金 、釤鈷（SmCo5）合金 、鑭一鎳合金（LaNi5）等。提高儲(chǔ)氫質(zhì)量、加快吸氫速度、降低放氫溫度、提高性價(jià)比是當(dāng)前以至今后努力的方向。 磁性合金 具有能磁化到較大磁化強(qiáng)度并在實(shí)際中可利用其磁性的強(qiáng)磁性合金材料。磁性金屬和合金一般都有磁電阻和巨磁阻現(xiàn)象。20 世紀(jì) 90 年代，人們?cè)?Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag 和 Co/Au 等納米結(jié)構(gòu)的

7、多層膜中觀察到了顯著的巨磁阻效應(yīng)。在高密度讀出磁頭、磁存儲(chǔ)元件和微弱磁場(chǎng)探測(cè)上有廣泛的應(yīng)用前景 。,化學(xué)與材料科學(xué),現(xiàn)時(shí)的無(wú)機(jī)非金屬材料，已不再僅是傳統(tǒng)意義上的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料通常所稱的“硅酸鹽材料”，而是涌現(xiàn)了一系列應(yīng)用新技術(shù)的高性能先進(jìn)無(wú)機(jī)非金屬材料，也稱“無(wú)機(jī)新材料”，包括結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷、半導(dǎo)體材料、新型玻璃、非晶態(tài)材料和人工晶體等除金屬材料和高分子材料以外的幾乎所有的材料。這些新材料的出現(xiàn)是無(wú)機(jī)非金屬材料科學(xué)與工程學(xué)科近幾十年來(lái)取得的重大成就，它們的應(yīng)用極大地推動(dòng)了科技的進(jìn)步。,化學(xué)與材料科學(xué),特種陶瓷 以碳、硅、氮、氧、硼等元素的人工化合物為主要原料，改進(jìn)和發(fā)展傳統(tǒng)陶瓷

8、工藝而獲得的新型陶瓷材料。由于特種陶瓷的強(qiáng)度和韌性都有大幅度提高，克服了傳統(tǒng)陶瓷性脆易碎的弱點(diǎn)，已成為受到普遍重視的一種重要的新型工程材料。又稱工程陶瓷、精密陶瓷或結(jié)構(gòu)陶瓷。按應(yīng)用和發(fā)展大致可分為高強(qiáng)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、電工電子特種功能陶瓷和復(fù)合陶瓷3大類。 高強(qiáng)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷強(qiáng)度高，特別是高溫機(jī)械性能好，是優(yōu)異的高溫結(jié)構(gòu)材料。優(yōu)異的高溫性能是一般金屬材料乃至硬質(zhì)合金也望塵莫及的，是高溫發(fā)熱元件、絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片、噴嘴等高溫工作器件的重要材料，還可用作高溫坩鍋、高速切削刀具和磨具材料。,化學(xué)與材料科學(xué),電工電子特種功能陶瓷具有特殊的聲、光、電、磁、熱和機(jī)械力的轉(zhuǎn)換、放大等物理、化學(xué)效應(yīng)，是功

9、能材料中引人注目的新型材料。還是具有氣敏、熱敏、光敏、壓敏、磁敏和半導(dǎo)體等效應(yīng)的換能、傳感功能陶瓷，更是特種陶瓷中的佼佼者。這類以金屬氧化物為主要原料的特種功能陶瓷，已是能源、空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等尖端技術(shù)的重要功能材料。 復(fù)合陶瓷最近發(fā)展較快，主要有纖維增強(qiáng)陶瓷和金屬陶瓷。復(fù)合陶瓷不僅強(qiáng)度、韌性和工藝性都有很大提高，而且還具有一些特異性能。如含鈷粉的金屬陶瓷，在高溫時(shí)鈷等金屬吸熱蒸發(fā)，降低基體溫度，保證材料強(qiáng)度，是優(yōu)良的火箭噴口和耐熱殼體材料。,化學(xué)與材料科學(xué),技術(shù)權(quán)威部門預(yù)測(cè)，新世紀(jì)開始，世界特種陶瓷平均每年以15%-20%的速度增長(zhǎng)，到2010年，世界特種陶瓷市場(chǎng)的銷售額，可望達(dá)到150

10、0億美元左右。 特種陶瓷按原料組成可分為：氧化鐵陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鈦陶瓷、氧化硅陶瓷、碳化硅陶瓷與金屬陶瓷等。 特種陶瓷應(yīng)用范圍正從電容器、濾波器、點(diǎn)火器、磁頭、高級(jí)烹調(diào)餐具、保溫器材、醫(yī)療器械和通信器件等方面，迅速向航天、航空、衛(wèi)星以及半導(dǎo)體芯片等高新技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)軍。 我國(guó)已成功地采用多種方法制成陶瓷顆粒材料，其中有氧化鋯、氧化鋁、氧化鈦、氧化硅、碳化硅、氮化硅等。同時(shí)，國(guó)家計(jì)委已將納米碳酸鈣、硅基納米陶瓷粉及制品，列入國(guó)家組織實(shí)施的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)公告之內(nèi)。,化學(xué)與材料科學(xué),半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率在 10-3109。最常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料是元素周期表中第族的硅和鍺，還有周期表中第族和第族

11、元素形成的化合物半導(dǎo)體，如砷化鎵等。在制造半導(dǎo)體單晶、薄膜和器件時(shí)，除了要求超凈的工作環(huán)境、精密的控制系統(tǒng)之外，對(duì)原料純度還有極高的要求。例如，有的半導(dǎo)體器件要求材料的純度高達(dá) 13 個(gè)“9”，即 99.99999999999%，所以說(shuō)，現(xiàn)代半導(dǎo)體材料和器件的本身就屬于高技術(shù)范疇，制造半導(dǎo)體材料與器件是一項(xiàng)精密細(xì)致的系統(tǒng)工程。,化學(xué)與材料科學(xué),激光晶體 激光技術(shù)是光電子技術(shù)的核心組成部分，而激光晶體是激光器的工作物質(zhì)。作為固體激光器的主體，激光晶體發(fā)展成固體激光技術(shù)的重要支柱。激光晶體是由晶體基質(zhì)和激活離子組成。激光晶體的激光性能與晶體基質(zhì)、激活離子的特性關(guān)系極大。目前已知的激光晶體，大致可以

12、分為氟化物晶體、含氧酸鹽晶體和氧化物晶體3大類。激活離子可分為過(guò)渡金屬離子、稀土離子及錒系元素離子。目前已知的約320種激光晶體中，約290種（90）是摻入稀土作為激活離子的。,我國(guó)是稀土大國(guó)，具有豐富的稀土資源，但目前只能以低端原材料出口。國(guó)家已有相關(guān)政策已保護(hù)我們的稀土資源,化學(xué)與材料科學(xué),高分子合成材料是以天然和人工合成的高分子化合物為基礎(chǔ)的一類非金屬材料。高分子材料具有原料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、加工方便以及具有橡膠彈性、強(qiáng)度高等獨(dú)特的性能，使它獲得了極其廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代的工業(yè)和日常生活都離不開高分子的三大合成材料合成塑料、合成纖維和合成橡膠。 合成塑料中，聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙

13、烯四大品種的總產(chǎn)量在億噸左右。其他如透光性好的有機(jī)玻璃，稱為“塑料王”的耐腐蝕塑料聚四氟乙烯，作為工程塑料的聚砜、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰亞胺和常用作泡沫塑料的聚胺脂等。合成纖維中，滌綸、晴綸、尼龍?jiān)缫堰M(jìn)入千家萬(wàn)戶。合成橡膠中，丁苯橡膠和順丁橡膠已部分代替天然橡膠。 高分子材料正朝著高性能化、功能化和復(fù)合化的方向發(fā)展。高性能化即通過(guò)高分子結(jié)構(gòu)的控制，制備高強(qiáng)度、高模量、高耐熱的高性能材料。功能化即制備具有導(dǎo)電、光學(xué)、分離、智能化等功能的高分子材料。復(fù)合化即通過(guò)纖維增強(qiáng)、高分子共混、融合化等達(dá)到新的功能和高性能。,化學(xué)與材料科學(xué),高分子分離膜 一種高分子薄層物，有固態(tài)，也有液態(tài)。用于分離膜的高分子

14、材料主要有聚酸胺類、聚酸亞胺類、聚砜類、聚乙烯酸類、丙烯類衍生物聚合物及纖維素類等，有關(guān)的共聚物和共混物也可作為膜材料用。高分子分離膜現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于核燃料及金屬提煉，氣體及烴類分離，海水及苦咸水淡化，純水及超純水制備，環(huán)境保護(hù)和污水處理，人工臟器的制造，生物制品提純以及醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)、化工等各種領(lǐng)域中。 功能高分子材料對(duì)物質(zhì)、能量和信息具有傳遞、轉(zhuǎn)換或貯存作用的高分子材料。功能高分子按其不同的功能又可分為： （1）具有化學(xué)活性的功能高分子，如高分子試劑、高分子催化劑、固定酶、離子交換樹脂等； （2）具有光學(xué)性能的功能高分子，如感光樹脂、光刻膠、液晶高分子等； （3）具有電學(xué)性能的功能高分子，

15、如導(dǎo)電高分子、熱電高分子、光電高分子等； （4）具有導(dǎo)磁性能的高分子，如磁性塑料、磁性橡膠等； （5）具有聲學(xué)性能的功能高分子，如聲電換能高分子，吸噪聲防震高分子等； （6）具有熱響應(yīng)性能的功能高分子，如形狀記憶高分子等； （7）具有醫(yī)療作用的功能高分子，如高分子醫(yī)藥、高分子人工臟器等。,化學(xué)與材料科學(xué),工程塑料具有優(yōu)異機(jī)械性能、電性能、化學(xué)性能及耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性等一系列特點(diǎn)的新型塑料。工程塑料作為化工高新技術(shù)和新型材料，近年來(lái)已被廣泛采用，以塑代鋼、以塑代木已成為國(guó)際流行趨勢(shì)。 工程塑料與金屬材料相比有許多優(yōu)點(diǎn)：容易加工；生產(chǎn)效率高；節(jié)約能源；絕緣性能好；質(zhì)量輕，比重約 1.01.

16、4，比鋁輕一半，比鋼輕 3/4；具有突出耐磨、耐腐蝕性等，是良好的工程機(jī)械更新?lián)Q代產(chǎn)品。 最近，化學(xué)家研制出了一種能代替玻璃和金屬的耐高溫高強(qiáng)度超級(jí)工程塑料。這種塑料是一種把硫基單位結(jié)合進(jìn)塑料聚合體長(zhǎng)鏈中的一種新型材料。有著驚人的抗酸堿腐蝕和耐高溫特性。還能填充到玻璃、不銹鋼等材料中，制成特別需要高溫消毒的器具(如醫(yī)療器械、食品加工機(jī)械等)。,化學(xué)與材料科學(xué),從 70 年代中期開始，一些耐熱性能更好、抗拉強(qiáng)度更高的類似金屬塑料問(wèn)世了。一種商品名稱叫做“Kevlar”的塑料，其強(qiáng)度甚至比鋼大 5 倍以上，為此它成為制造優(yōu)質(zhì)防彈背心不可缺少的材料。 最近，美國(guó)杜邦公司研制成功迄今為止強(qiáng)度最大的塑料

17、“戴爾瑞 ST”。具有合金鋼般的高強(qiáng)度，可以用來(lái)制造從汽車軸承、機(jī)器齒輪到打字機(jī)零件等許多耐磨損零部件。 耐高溫、高強(qiáng)度塑料的一個(gè)潛在用途是制造塑料汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。這種塑料發(fā)動(dòng)機(jī)的重量不到金屬發(fā)動(dòng)機(jī)的一半，噪聲也要小得多。而且，由于這種發(fā)動(dòng)機(jī)可以經(jīng)過(guò)模壓一次成型，大大減小了加工時(shí)間和成本。,化學(xué)與材料科學(xué),復(fù)合材料就是把兩種或兩種以上的材料結(jié)合在一起，使之充分發(fā)揮特長(zhǎng)而避開各自的缺點(diǎn)。這樣，就誕生了許許多多性能優(yōu)異的新材料。復(fù)合材料是一種多相多組份材料，通過(guò)分子間的優(yōu)化設(shè)計(jì)和復(fù)合加工技術(shù)，可以在性能、應(yīng)用范圍方面更易于滿足高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的需求。,化學(xué)與材料科學(xué),納米材料 當(dāng)粒子的尺寸小到10納米左

18、右時(shí)，物質(zhì)的性質(zhì)會(huì)發(fā)生突變，出現(xiàn)既具有不同于原來(lái)組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料。 如果僅僅是尺度達(dá)到納米，而沒(méi)有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。其次，不同類型的納米粒子發(fā)生這種突變的臨界尺寸是不同的，并且即使是同一種納米粒子，呈現(xiàn)納米材料的某些不同的特異性能所需要的臨界尺寸也可能是不同的。,化學(xué)與材料科學(xué),電學(xué)性能：金屬為導(dǎo)體，但納米金屬微粒在低溫由于量子尺寸效應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)電絕緣性；納米半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)隨測(cè)量頻率的減小呈明顯上升趨勢(shì)，而相應(yīng)的常規(guī)半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)較低，在低頻范圍內(nèi)介電常數(shù)的上升趨勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于納米半導(dǎo)體材料；并且在低頻范圍，納米半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)呈

19、現(xiàn)尺寸效應(yīng)，即粒徑很小時(shí)，其介電常數(shù)較低，隨粒徑增大，介電常數(shù)先增加然后下降，在某一臨界尺寸呈極大值。 熔點(diǎn)與燒結(jié)性能 ：納米微粒的熔點(diǎn)、開始燒結(jié)溫度和晶化溫度均比常規(guī)粉體低得多。由于顆粒小，納米微粒表面能高，表面原子數(shù)多，這些表面原子近鄰配位不全，納米微粒間是一種非共價(jià)相互作用，活性大，納米粒子熔化時(shí)所增加的內(nèi)能小得多，這就使得納米微粒熔點(diǎn)急劇下降。,納米材料的基本物理和化學(xué)性質(zhì),化學(xué)與材料科學(xué),力學(xué)性能：由于納米物質(zhì)的巨大表面，納米物質(zhì)的力學(xué)性能也表現(xiàn)出許多特點(diǎn)。例如納米陶瓷材料是近年來(lái)受到重視的一個(gè)領(lǐng)域，其特點(diǎn)是在一般陶瓷中添加少量納米陶瓷粉，經(jīng)燒結(jié)后其力學(xué)性能會(huì)有成倍的增加。例如在 A

20、l2O3陶瓷材料中加入少量納米 SiC，其性能得到顯著提高：抗彎強(qiáng)度由原來(lái)的 300400MPa 提高到 10001500 MPa；斷裂韌性也提高了 40%，因此這一類材料將具有很好的應(yīng)用前景。 光學(xué)性質(zhì) ：由于表面效應(yīng)，使得納米微粒的表面與內(nèi)部原子的化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率不同，結(jié)果使吸收峰變寬；并且粒徑減小，粒子的折合質(zhì)量減小，使吸收峰出現(xiàn)“藍(lán)移”現(xiàn)象；再者，隨著粒徑的減小，對(duì)光的反射大大降低，當(dāng)減小到納米量級(jí)時(shí)各種金屬納米微粒幾乎都呈黑色。 催化性能：納米顆粒的巨大表面積和表面原子占很大比例這些特點(diǎn)；以及由于量子尺寸效應(yīng)，固體費(fèi)米能級(jí) (固體中電子的化學(xué)勢(shì))附近的準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)成為分立的能級(jí)，并且

21、禁帶間距加大，從而賦予納米粒子一系列奇異的光催化性能。,納米材料的基本物理和化學(xué)性質(zhì),化學(xué)與材料科學(xué),小尺寸效應(yīng) ：當(dāng)金屬或非金屬被制備成小于一定尺度的粉末時(shí)，其物理性質(zhì)就發(fā)生了根本的變化，具有高強(qiáng)度、高韌性、高比熱、高導(dǎo)電率、高擴(kuò)散率及對(duì)電磁波具有強(qiáng)吸收性等性質(zhì)，為實(shí)用技術(shù)開拓了新領(lǐng)域。 表面效應(yīng) ：表面原子數(shù)隨納米粒子尺寸減小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的顯著變化稱為表面效應(yīng)。納米級(jí)結(jié)構(gòu)尺寸減小，表面原子數(shù)迅速增加，比表面積、表面積及表面結(jié)合能迅速增大。由于表面原子數(shù)的增加、原子配位的不足必然導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)表面存在許多缺陷。表面原子所處的鍵合狀態(tài)或鍵合環(huán)境與內(nèi)部原子有很大的差異，常常處于不飽和狀

22、態(tài)，導(dǎo)致納米材料具有極高的表面活性，很容易與其它原子結(jié)合。納米顆粒表現(xiàn)出來(lái)的高催化活性和高反應(yīng)性，納米粒子易于團(tuán)聚等均與此有關(guān)。,納米效應(yīng),化學(xué)與材料科學(xué),量子尺寸效應(yīng) ：?jiǎn)蝹€(gè)原子的電子能級(jí)是離散的，這是微觀粒子（電子、質(zhì)子等）普遍具有的量子化的特點(diǎn)；而當(dāng)眾多原子聚集到一起形成固體時(shí)，原子之間的相互作用導(dǎo)致能級(jí)發(fā)生分裂，最后形成能帶。大塊物質(zhì)由于含有幾乎無(wú)限多的原子，其能帶基本上是連續(xù)的；對(duì)于有限個(gè)原子的納米顆粒來(lái)說(shuō)，當(dāng)粒徑小到一定程度時(shí)，能帶變得不再連續(xù)。當(dāng)能級(jí)間距大于熱能、磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)所謂的量子尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致納米顆粒的光、電、磁、聲、熱等性質(zhì)與宏觀特性

23、有著顯著的差異。 宏觀量子隧道效應(yīng) ：電子既具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在穿透勢(shì)壘的隧道效應(yīng)。近年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效應(yīng)，稱為宏觀量子隧道效應(yīng)。,納米效應(yīng),化學(xué)與材料科學(xué),在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用 ：納米陶瓷是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級(jí)尺度的陶瓷材料，也就是其晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布，缺陷尺寸等都是在納米量級(jí)的水平上。優(yōu)良的室溫力學(xué)性能、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性使其在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件等諸多方面都有了廣泛的應(yīng)用，并在許多超高溫、強(qiáng)腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其它材料不可替代的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。 在電子領(lǐng)域的應(yīng)用 ：基于納米粒

24、子的量子效應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)并制備納米量子器件，它包括納米有序 (無(wú)序 )排列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系。納米電子學(xué)發(fā)展，可能會(huì)在電子學(xué)領(lǐng)域引起一次新的電子技術(shù)革命，從而把電子工業(yè)技術(shù)推向一個(gè)更高的發(fā)展階段。 在化工領(lǐng)域的應(yīng)用 ：由于納米材料的化學(xué)活性和大的比表面積，被廣泛用作催化劑材料。,應(yīng)用領(lǐng)域,化學(xué)與材料科學(xué),在光學(xué)方面的應(yīng)用 ：納米晶材料可改變樣品的光透性，使其具有優(yōu)異的吸附功能，這種光透性可通過(guò)控制晶粒尺寸和氣孔率的方法來(lái)控制，因而使這種材料在感應(yīng)和過(guò)濾技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。 在電磁學(xué)方面的應(yīng)用 ：納米晶材料的磁性來(lái)源于尺寸效應(yīng)。納米磁性材料包括納米稀土永磁材料、納米

25、微晶軟磁材料、納米磁記錄材料、納米磁膜材料和磁性液體，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣。 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 ：納米生物學(xué)的目的就是在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)的原理，研制可編程的分子機(jī)器人，也稱納米機(jī)器人；納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲得生命信息。,應(yīng)用領(lǐng)域,化學(xué)與材料科學(xué),在分子組裝方面的應(yīng)用 ：所謂自組裝一般是指原子在底物上自發(fā)地排列成一維、二維、甚至三維有序的空間結(jié)構(gòu)。由于低維結(jié)構(gòu)材料的物理化學(xué)性能與體相材料有明顯的不同，它們與低維材料的大小和形狀密切相關(guān)，尤其當(dāng)有至少一維尺寸位于納米范圍內(nèi)時(shí)，將會(huì)有許多獨(dú)特的性能出現(xiàn)。目前納米技術(shù)深入到了對(duì)單原子的

26、操縱，通過(guò)利用軟化學(xué)與溶體模板化學(xué)，超分子化學(xué)相結(jié)合的技術(shù)，正在成為組裝、剪裁和實(shí)現(xiàn)分子手術(shù)的主要手段。 在其它方面的應(yīng)用 ：納米儲(chǔ)氫材料氫儲(chǔ)量可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氫氣密度的千倍以上；納米燒結(jié)陶瓷已用于大批量生產(chǎn)大功率半導(dǎo)體元件，可控硅整流元件的散熱熱膨脹補(bǔ)償基底；助燃劑 等。,應(yīng)用領(lǐng)域,化學(xué)與材料科學(xué),隨著對(duì)納米材料結(jié)構(gòu)和性能的進(jìn)一步了解，隨著納米技術(shù)的進(jìn)一步成熟、完善，更多具有特殊性能及特異用途的納米材料和納米器件將被研究和開發(fā)出來(lái)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，納米材料和納米技術(shù)的應(yīng)用將具有更加廣闊的前景。 納米科技的研究范圍主要包括納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米

27、力學(xué)等學(xué)科。這些學(xué)科為納米材料的發(fā)展提供了科學(xué)基礎(chǔ)。其中每一門類都是跨學(xué)科的邊緣科學(xué)，不是某一學(xué)科的延伸或某一項(xiàng)工藝的革新，而是許多基礎(chǔ)理論、專業(yè)工程理論與當(dāng)代尖端高新技術(shù)的結(jié)晶。 納米科技的發(fā)展給化學(xué)家提出了許多新的課題，同時(shí)也為化學(xué)自身的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。納米化學(xué)就是在這樣的背景下，作為化學(xué)的一個(gè)新的分支誕生的。 嚴(yán)防“納米光暈”中的偽科學(xué)和科學(xué)欺詐。,幾點(diǎn)認(rèn)識(shí),化學(xué)與材料科學(xué),從均質(zhì)材料向復(fù)合材料發(fā)展，以滿足不同要求和特殊要求。 由結(jié)構(gòu)材料為主向功能材料、多功能材料并重的方向發(fā)展。隨著高技術(shù)的發(fā)展，要求材料技術(shù)提供更多更好的功能材料，各種功能材料越來(lái)越多，終會(huì)有一天功能材料將同結(jié)構(gòu)材料

28、在材料領(lǐng)域平分秋色。 材料結(jié)構(gòu)的尺度向越來(lái)越小的方向發(fā)展。各種納米材料甚至納米復(fù)合材料以驚人的速度快速發(fā)展。 由被動(dòng)性材料向具有主動(dòng)性的智能材料方向發(fā)展。新的智能材料能夠感知外界條件變化、進(jìn)行判斷并主動(dòng)作出反應(yīng)。 通過(guò)仿生途徑來(lái)發(fā)展新材料。通過(guò)“師法自然”并揭開其奧秘，會(huì)給我們以無(wú)窮的啟發(fā)，為開發(fā)新材料又提供了一條廣闊的途徑。,化學(xué)與生命科學(xué),生命科學(xué)是研究生命現(xiàn)象、生命活動(dòng)的本質(zhì)、特征和發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，以及各種生物之間和生物與環(huán)境之間相互關(guān)系的科學(xué)。用于有效地控制生命活動(dòng)，能動(dòng)地改造生物界，造福人類。生命科學(xué)與人類生存、人民健康、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展有著密切關(guān)系，是當(dāng)今在全球范圍內(nèi)最受關(guān)注的基

29、礎(chǔ)自然科學(xué)。 生命科學(xué)是系統(tǒng)地闡述與生命特性有關(guān)的重大課題的科學(xué)。 對(duì)生命現(xiàn)象的探索是人類認(rèn)識(shí)自然、改造自然的重要內(nèi)容。,化學(xué)與生命科學(xué),人類現(xiàn)在仍在進(jìn)化嗎？ 特定的生態(tài)小生境中物種之間的關(guān)系怎樣？ 何種因素支配著此一生境中每一物種的數(shù)量？ 動(dòng)物行為的生理學(xué)基礎(chǔ)是什么？ 記憶是怎樣形成的？ 記憶存貯在什么地方？ 哪些因素能夠影響學(xué)習(xí)和記憶？ 智力由何而來(lái)？ 宇宙空間還有其它有智慧的生物嗎？ 生命是怎樣起源的？等等。,生命科學(xué)的主要研究課題,生物物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是什么？ 化學(xué)物質(zhì)在體內(nèi)是如何互轉(zhuǎn)化并表現(xiàn)出生命特征的？ 生物大分子的組成和結(jié)構(gòu)是怎樣的？ 細(xì)胞是怎樣工作的？ 形形色色的細(xì)胞怎樣完成多種

30、多樣的功能？ 基因作為遺傳物質(zhì)是怎樣起作用的？ 什么機(jī)制促使細(xì)胞復(fù)制？ 一個(gè)受精卵細(xì)胞怎樣在發(fā)育、分化和使用其遺傳信息？ 多種類型細(xì)胞是怎樣結(jié)合起來(lái)形成器官和組織？ 物種是怎樣形成的？ 什么因素引起進(jìn)化？,化學(xué)與生命科學(xué),生命科學(xué)研究不但依賴數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的理論知識(shí)，也依靠這些學(xué)科提供的研究方法和研究手段，如光學(xué)和電子顯微鏡、蛋白質(zhì)電泳儀、超速離心機(jī)、X-射線儀、核磁共振分光計(jì)、正電子發(fā)射斷層掃描儀等。 對(duì)于生命科學(xué)的深入了解，無(wú)疑也能促進(jìn)物理、化學(xué)等人類其它知識(shí)領(lǐng)域的發(fā)展。 生命科學(xué)廣闊無(wú)限的研究?jī)?nèi)容為化學(xué)學(xué)科開辟了極具活力的研究領(lǐng)域。 化學(xué)與生命科學(xué)的相互滲透產(chǎn)生了生物化學(xué)和化

31、學(xué)生物學(xué)兩個(gè)分支學(xué)科。,化學(xué)與生命科學(xué),早在 19 世紀(jì)初，科學(xué)家們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，雖然生物有機(jī)體種類繁多，形態(tài)各異，但其組成的基本單位都是細(xì)胞。而構(gòu)成細(xì)胞的，則是由化學(xué)元素組成的若干種生物大分子，如：蛋白質(zhì)、碳水化合物、類脂體、核酸等。了解、掌握這些生物大分子的性質(zhì)對(duì)認(rèn)識(shí)、保護(hù)和改善人類自身的生活，改良、創(chuàng)造新生物品種有著極其重要的意義。 由于蛋白質(zhì)和核酸是生命的最基本物質(zhì)，因此下面簡(jiǎn)要介紹蛋白質(zhì)、核酸的基本性質(zhì)。,化學(xué)與生命科學(xué),蛋白質(zhì)是氨基酸(amino acid)構(gòu)成的聚合物。 具有生物活性的蛋白質(zhì)是含碳、氫、氧、氮和硫的化合物。在生物體內(nèi)蛋白質(zhì)約占細(xì)胞干物質(zhì)的 50%。據(jù)估計(jì)在人體中蛋白

32、質(zhì)的種類高達(dá) 30 萬(wàn)種，而整個(gè)生物界約有 1010 1012種蛋白質(zhì)。 構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸共有 20 種。雖然氨基酸的種類有限，但是由于氨基酸在蛋白質(zhì)中的連接順序及數(shù)目、種類的不同，可以構(gòu)成遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1012種的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的性質(zhì)與功能則由其所含氨基酸的組成、排列順序、結(jié)構(gòu)決定。,化學(xué)與生命科學(xué),酶蛋白能對(duì)生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)起催化作用的蛋白質(zhì)生物催化劑稱為酶蛋白。在酶蛋白的作用下，生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速度很快，往往是體外速度的幾百倍甚至上千倍。 運(yùn)載蛋白 運(yùn)載蛋白是能攜帶小分子從一處到另一處的一類特異蛋白質(zhì)。運(yùn)載蛋白通過(guò)細(xì)胞膜在血液中循環(huán)，在不同組織間載運(yùn)代謝物。運(yùn)載蛋白在生物的物質(zhì)代謝中起著

33、重要的作用。 結(jié)構(gòu)蛋白 結(jié)構(gòu)蛋白是參與細(xì)胞結(jié)構(gòu)建成的一類蛋白質(zhì)。生物體的細(xì)胞結(jié)構(gòu)上含有大量由結(jié)構(gòu)蛋白組成的亞基，形成了細(xì)胞的框架結(jié)構(gòu)。,化學(xué)與生命科學(xué),抗體 具有免疫、防御功能的特異蛋白質(zhì)被稱為抗體。當(dāng)外界的病原體入侵生物體時(shí)，生物體便產(chǎn)生一種特異蛋白質(zhì)抗體?？贵w能與病原體對(duì)抗，使其解體。抗體在高等動(dòng)物機(jī)體免疫機(jī)制中起著重要的作用。 激素 激素是一種具有調(diào)節(jié)功能的特異蛋白質(zhì)。它是由生物體內(nèi)某部分產(chǎn)生的。通過(guò)循環(huán)能調(diào)節(jié)生物體內(nèi)其他部分的生命活動(dòng)。,蛋白質(zhì)的種類,化學(xué)與生命科學(xué),核酸是由核苷酸(Nucleotide)構(gòu)成的酸性聚合物。 組成核苷的堿基共有 5 種：腺嘌呤（用字母 A 表示）、鳥嘌呤

34、（用字母 G 表示）、胞嘧啶（用字母 C 表示）、尿嘧啶（用字母 U 表示）、胸腺嘧啶（用字母 T 表示）。 核糖有兩種類型：核糖與脫氧核糖。核酸可依含有核糖的類型不同分為核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）兩大類。 DNA 是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)遺傳信息的貯存、發(fā)布。RNA負(fù)責(zé)遺傳信息的表達(dá)，它轉(zhuǎn)錄 DNA 所發(fā)布的遺傳信息，并將之翻譯給蛋白質(zhì)，使生命機(jī)體的生長(zhǎng)、繁殖、遺傳能繼續(xù)進(jìn)行。,化學(xué)與生命科學(xué),核酸Nucleic acid,核糖核酸、脫氧核糖核酸的組成、結(jié)構(gòu),化學(xué)與生命科學(xué),核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu),核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子。組成DNA的脫氧核糖核苷酸主要是dAMP、dGMP、

35、dCMP和dTMP，組成RNA的核糖核苷酸主要是AMP、GMP、CMP和UMP。核酸中的核苷酸以3，5磷酸二酯鍵構(gòu)成無(wú)分支結(jié)構(gòu)的線性分子。核酸鏈具有方向性，有兩個(gè)末端分別是5末端與3末端。5末端含磷酸基團(tuán)，3末端含羥基。核酸鏈內(nèi)的前一個(gè)核苷酸的3羥基和下一個(gè)核苷酸的5磷酸形成3,5磷酸二酯鍵，故核酸中的核苷酸被稱為核苷酸殘基。通常將小于50個(gè)核苷酸殘基組成的核酸稱為寡核苷酸（oligonucleotide），大于50個(gè)核苷酸殘基稱為多核苷酸（polynucleotide）。,化學(xué)與生命科學(xué),核酸的結(jié)構(gòu),DNA的空間結(jié)構(gòu),DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu) 雙螺旋結(jié)構(gòu)（double helix structure

36、）。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：兩條DNA互補(bǔ)鏈反向平行。由脫氧核糖和磷酸間隔相連而成的親水骨架在螺旋分子的外側(cè)，而疏水的堿基對(duì)則在螺旋分子內(nèi)部，堿基平面與螺旋軸垂直，螺旋旋轉(zhuǎn)一周正好為10個(gè)堿基對(duì)，螺距為3.4nm，這樣相鄰堿基平面間隔為0.34nm并有一個(gè)36的夾角。DNA雙螺旋的表面存在一個(gè)大溝（major groove）和一個(gè)小溝（minor groove），蛋白質(zhì)分子通過(guò)這兩個(gè)溝與堿基相識(shí)別。兩條DNA鏈依靠彼此堿基之間形成的氫鍵而結(jié)合在一起。根據(jù)堿基結(jié)構(gòu)特征，只能形成嘌呤與嘧啶配對(duì)，即A與T相配對(duì)，形成2個(gè)氫鍵；G與C相配對(duì)，形成3個(gè)氫鍵。因此G與C之間的連接較為穩(wěn)定。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。維

37、持這種穩(wěn)定性主要靠堿基對(duì)之間的氫鍵以及堿基的堆集力（stacking force）。,化學(xué)與生命科學(xué),核酸的結(jié)構(gòu),DNA的空間結(jié)構(gòu),生理?xiàng)l件下，DNA雙螺旋大多以B型形式存在。右手雙螺旋DNA除B型外還有A型、C型、D型、E型。此外還發(fā)現(xiàn)左手雙螺旋Z型DNA。 DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)還存在三股螺旋DNA，第三股可以來(lái)自分子間，也可以來(lái)自分子內(nèi)。,化學(xué)與生命科學(xué),核酸的結(jié)構(gòu),DNA的空間結(jié)構(gòu),DNA三級(jí)結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu) DNA鏈進(jìn)一步扭曲盤旋形成超螺旋結(jié)構(gòu)。生物體內(nèi)有些DNA是以雙鏈環(huán)狀DNA形式存在，如有些病毒DNA，某些噬菌體DNA，細(xì)菌染色體與細(xì)菌中質(zhì)粒DNA，真核細(xì)胞中的線粒體DNA、葉綠體DNA

38、都是環(huán)狀的。環(huán)狀DNA分子可以是共價(jià)閉合環(huán)，即環(huán)上沒(méi)有缺口，也可以是缺口環(huán)，環(huán)上有一個(gè)或多個(gè)缺口。在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，共價(jià)閉合環(huán)DNA（covalently close circular DNA）可以進(jìn)一步扭曲形成超螺旋形（super helical form）。根據(jù)螺旋的方向可分為正超螺旋和負(fù)超螺旋。正超螺旋使雙螺旋結(jié)構(gòu)更緊密，雙螺旋圈數(shù)增加，而負(fù)超螺旋可以減少雙螺旋的圈數(shù)。幾乎所有天然DNA中都存在負(fù)超螺旋結(jié)構(gòu)。,化學(xué)與生命科學(xué),核酸的結(jié)構(gòu),DNA的空間結(jié)構(gòu),DNA的四級(jí)結(jié)構(gòu)DNA與蛋白質(zhì)形成復(fù)合物。在真核生物中其基因組DNA要比原核生物大得多，如原核生物大腸桿菌的DNA約為4.71

39、03kb，而人的基因組DNA約為3106 kb，因此真核生物基因組DNA通常與蛋白質(zhì)結(jié)合，經(jīng)過(guò)多層次反復(fù)折疊，壓縮近10000倍后，以染色體形式存在于平均直徑為5m的細(xì)胞核中。線性雙螺旋DNA折疊的第一層次是形成核小體（nucleosome）。猶如一串念珠, 核小體由直徑為11nm5.5nm的組蛋白核心和盤繞在核心上的DNA構(gòu)成。核心由組蛋白H2A、H2B、H3和H4各2分子組成，為八聚體，146 bp長(zhǎng)的 DNA以左手螺旋盤繞在組蛋白的核心1.75圈，形成核小體的核心顆粒，各核心顆粒間有一個(gè)連接區(qū)，約有60 bp雙螺旋DNA和1個(gè)分子組蛋白H1構(gòu)成。平均每個(gè)核小體重復(fù)單位約占DNA 200

40、bp。DNA組裝成核小體其長(zhǎng)度約縮短7倍。在此基礎(chǔ)上核小體又進(jìn)一步盤繞折疊，最后形成染色體。,化學(xué)與生命科學(xué),核酸的結(jié)構(gòu),各類RNA的結(jié)構(gòu),RNA在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中起著重要作用，其中轉(zhuǎn)移核糖核酸，簡(jiǎn)稱tRNA，起著攜帶和轉(zhuǎn)移活化氨基酸的作用；信使核糖核酸，簡(jiǎn)稱mRNA，是合成蛋白質(zhì)的模板；核糖體的核糖核酸，簡(jiǎn)稱rRNA，是細(xì)胞合成蛋白質(zhì)的主要場(chǎng)所。,一級(jí)結(jié)構(gòu)單鏈分子，含7393核苷酸，分子質(zhì)量為24 00031 000 二級(jí)結(jié)構(gòu)三葉草型，配對(duì)堿基形成局部雙螺旋而構(gòu)成臂，不配對(duì)的單鏈部分則形成環(huán)。 三級(jí)結(jié)構(gòu)倒L形,tRNA的結(jié)構(gòu)：,tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu),tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu),化學(xué)與生命科學(xué),核酸的結(jié)

41、構(gòu),原核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，往往含有幾個(gè)功能上相關(guān)的蛋白質(zhì)的編碼序列，可翻譯出幾種蛋白質(zhì)，為多順?lè)醋?。編碼序列之間有間隔序列，可能與核糖體的識(shí)別和結(jié)合有關(guān)。在5端與3端有與翻譯起始和終止有關(guān)的非編碼序列，沒(méi)有修飾堿基， 5端沒(méi)有帽子結(jié)構(gòu)，3端沒(méi)有多聚腺苷酸的尾巴,原核生物中mRNA轉(zhuǎn)錄后一般不需加工，直接進(jìn)行蛋白質(zhì)翻譯。mRNA轉(zhuǎn)錄和翻譯不僅發(fā)生在同一細(xì)胞空間，而且這兩個(gè)過(guò)程幾乎是同時(shí)進(jìn)行的。真核細(xì)胞成熟mRNA是由其前體核內(nèi)不均一RNA（hnRNA）剪接并經(jīng)修飾后才能進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中參與蛋白質(zhì)合成。所以真核細(xì)胞mRNA的合成和表達(dá)發(fā)生在不同的空間和時(shí)間。mRNA的結(jié)構(gòu)在原核生物中和真

42、核生物中差別很大。,真核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：為單順?lè)醋咏Y(jié)構(gòu)，即一個(gè)mRNA分子只包含一條多肽鏈的信息。在真核生物成熟的mRNA中5端有m7GpppN的帽子結(jié)構(gòu)，帽子結(jié)構(gòu)可保護(hù)mRNA不被核酸外切酶水解，并且能與帽結(jié)合蛋白結(jié)合識(shí)別核糖體并與之結(jié)合，與翻譯起始有關(guān)。3端有polyA尾巴，其長(zhǎng)度為20250個(gè)腺苷酸，其功能可能與mRNA的穩(wěn)定性有關(guān)，,mRNA的結(jié)構(gòu),化學(xué)與生命科學(xué),核酸的結(jié)構(gòu),rRNA占細(xì)胞總RNA的80%左右，rRNA分子為單鏈，局部有雙螺旋區(qū)域具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，原核生物主要的rRNA有三種，即5S、16S和23S rRNA，如大腸桿菌的這三種rRNA分別由120、1542和

43、2904個(gè)核苷酸組成。真核生物則有4種，即5S、5.8S、18S和28S rRNA, 如小鼠，它們相應(yīng)含121、158、1874和4718個(gè)核苷酸。rRNA分子作為骨架與多種核糖體蛋白裝配成核糖體。,rRNA的結(jié)構(gòu),化學(xué)與生命科學(xué),基因（Gene）工程進(jìn)展：基因是染色體上DNA雙螺旋鏈的具有遺傳效應(yīng)的特定核苷酸序列的總稱，是生物性狀遺傳的基本功能單位。調(diào)控著細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化、老化、死亡等各種功能。科學(xué)家認(rèn)為，找到人類基因組 30 億個(gè)堿基對(duì)的排列序列，必將大大促進(jìn)生物信息學(xué)、生物功能基因組和蛋白質(zhì)等生命科學(xué)前沿領(lǐng)域的發(fā)展，也將為基因資源開發(fā)利用，醫(yī)藥、衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)等生物高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展開辟更加廣

44、闊的前景。 基因工程包括：人類基因組計(jì)劃（Human Genome Project HGP） 、基因治療 、轉(zhuǎn)基因生物 等。,化學(xué)與生命科學(xué),生命化學(xué)的進(jìn)展,人類基因組計(jì)劃當(dāng)前國(guó)際生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，這是由美國(guó)科學(xué)家于 1985 年率先提出的。美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本和我國(guó)的科學(xué)家共同參與了人類基因組計(jì)劃的工作。國(guó)際人類基因組計(jì)劃所要做的事，就是要發(fā)現(xiàn)所有人類基因并搞清其在染色體上的位置，弄清人的細(xì)胞中610萬(wàn)個(gè)基因在 30 億個(gè)核苷酸中的具體排列，即測(cè)定人類基因組的全部 DNA 序列，從而解讀所有遺傳密碼，揭示生命的所有奧秘，破譯人類全部遺傳信息。它對(duì)于人類認(rèn)識(shí)自身，推動(dòng)生命科學(xué)、醫(yī)

45、學(xué)以及制藥產(chǎn)業(yè)等的發(fā)展，具有極其重大的意義。,人類基因組計(jì)劃譜寫生命之書,化學(xué)與生命科學(xué),生命化學(xué)的進(jìn)展,人類基因組計(jì)劃時(shí)間表,1999 年 12 月 1 日，一個(gè)由英、美、日等國(guó)科學(xué)家組成的研究小組，破譯了人類第 22 號(hào)染色體中所有與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的基因序列，發(fā)現(xiàn)了至少 545 個(gè)基因。這是人類首次了解了一條完整的人類染色體的結(jié)構(gòu)。 2000 年 4 月 13 日，美國(guó)科學(xué)家又宣布他們已完成第 5、第 16 和第 19 號(hào)染色體的遺傳密碼草圖，在這些染色體上大約包含10,000到 15,000 個(gè)基因，約占人體遺傳物質(zhì)總量的 11%。 2001 年已繪就人類基因組序列的“工作框架圖”。 2

46、003 年美國(guó)國(guó)家人類基因組研究所宣布：人類基因組的 30 億個(gè)堿基對(duì)已經(jīng)測(cè)序完畢。,雖然人類基因組計(jì)劃已經(jīng)正式結(jié)束，但測(cè)序并沒(méi)有百分百地完成?？茖W(xué)家說(shuō)，由于一些高深莫測(cè)的原因，人類基因組中有1被證實(shí)是無(wú)法測(cè)序的，只有在相關(guān)新技術(shù)出現(xiàn)之后，這一難題才有望得到攻克。也許，這1中，還蘊(yùn)藏著生命的其它奧秘。,化學(xué)與生命科學(xué),生命化學(xué)的進(jìn)展,基因治療 應(yīng)用基因工程的技術(shù)方法，將正常的基因轉(zhuǎn)入病患者的細(xì)胞中，以取代病變基因，從而表達(dá)所缺乏的產(chǎn)物，或者通過(guò)關(guān)閉或降低異常表達(dá)的基因等途徑，達(dá)到治療某些遺傳病的目的。目前已發(fā)現(xiàn)，人類與疾病相關(guān)的基因約有 5000 多個(gè)，迄今已有 13 被分離和確認(rèn)。遺傳病是基

47、因治療的主要對(duì)象。 DNA 治療包括基因補(bǔ)償、DNA 疫苗、肽核酸（PNA）等技術(shù)。最常用的是基因補(bǔ)償?；蜓a(bǔ)償首先要選擇合適的靶基因，選擇的原則是哪些基因有缺陷就補(bǔ)償其相應(yīng)的正?；?。 RNA 修復(fù)著眼于阻斷和破壞“復(fù)制”、“轉(zhuǎn)錄”和“翻譯”，使表現(xiàn)疾病的基因不能表達(dá)。是基因治療的新途徑。,基因治療 告別殘缺的人生,化學(xué)與生命科學(xué),生命化學(xué)的進(jìn)展,轉(zhuǎn)基因生物應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，植入了新基因的生物。將某一特定基因從 DNA 分子上切割下來(lái)，裝在運(yùn)載工具（DNA 載體）上，導(dǎo)入另一生物體內(nèi)，并使該基因在受體細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定遺傳，以表達(dá)出特定的蛋白質(zhì)，賦予受體細(xì)胞以新的特征的一門技術(shù)就叫做轉(zhuǎn)基因技術(shù)。轉(zhuǎn)基因

48、技術(shù)使人類可以按照自己的愿望來(lái)改造自然物種。 轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作為生產(chǎn)醫(yī)藥產(chǎn)品的“化工廠”，可以為人類器官移植提供原料。 轉(zhuǎn)基因植物利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)可培育出富含各種營(yíng)養(yǎng)素，又具抗旱、抗蟲和抗土壤能力的農(nóng)作物。,轉(zhuǎn)基因生物上帝不再是唯一的造物主,中國(guó)是全球第 1 個(gè)將種植轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物用作商業(yè)用途的國(guó)家。至今，全國(guó)共批準(zhǔn)種植 100 多種轉(zhuǎn)基因植物，其中包括遲熟的番茄、能抗病毒的青椒、彩色棉花等等。 2001 年全球轉(zhuǎn)基因植物種植面積已達(dá) 7300 萬(wàn)公頃。,化學(xué)與生命科學(xué),生命化學(xué)的進(jìn)展,生物芯片進(jìn)展：生物芯片的概念來(lái)自計(jì)算機(jī)芯片，是在 20 世紀(jì)90 年代中期發(fā)展起來(lái)的高科技產(chǎn)物。由于生物芯片最初的目

49、的是用于 DNA 序列的測(cè)定，基因表達(dá)譜鑒定，所以生物芯片又被稱為 DNA 芯片或基因芯片。目前，該技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域主要有基因表達(dá)譜分析、新基因發(fā)現(xiàn)、基因突變及多態(tài)性分析、基因組文庫(kù)作圖、疾病診斷和預(yù)測(cè)、藥物篩選、基因測(cè)序等。 九十年代初以美國(guó)為主開始進(jìn)行的各種生物芯片的研制，不到十年的功夫，芯片技術(shù)得以迅速發(fā)展，并呈現(xiàn)發(fā)展高峰。國(guó)外的多家大公司及政府機(jī)構(gòu)均對(duì)此表現(xiàn)出極大興趣，并投以可觀的財(cái)力。,生物芯片生命信息的集成,化學(xué)與生命科學(xué),生命化學(xué)的進(jìn)展,基因破譯 將大量探針?lè)肿庸潭ㄓ谥С治锷希缓笈c標(biāo)記的樣品進(jìn)行雜交，通過(guò)雜交信號(hào)的強(qiáng)弱判斷靶分子的數(shù)量。用該技術(shù)可將大量的探針同時(shí)固定于支持物上，所以

50、一次可對(duì)大量核酸分子進(jìn)行檢測(cè)分析，從而解決了傳統(tǒng)核酸印跡雜交技術(shù)操作復(fù)雜、自動(dòng)化程度低、檢測(cè)目的分子數(shù)量少、效率低等不足。它能在同一時(shí)間內(nèi)分析大量的基因，使人們準(zhǔn)確高效地破譯遺傳密碼。 疾病檢測(cè)診斷 生物芯片在疾病檢測(cè)診斷方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它可以僅用極小量的樣品，在極短時(shí)間內(nèi)，向醫(yī)務(wù)人員提供大量的疾病診斷信息，這些信息有助于醫(yī)生在短時(shí)間內(nèi)找到正確的治療措施。 藥物篩選 大規(guī)模的藥物篩選可以省略大量的動(dòng)物試驗(yàn)，使從基因到藥物的過(guò)程盡可能的快速和高效。縮短藥物篩選所用時(shí)間，從而帶動(dòng)創(chuàng)新藥物的研究和開發(fā)。,化學(xué)與能源,能量（energy)：能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量化轉(zhuǎn)換，是用以衡量所有物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)模的統(tǒng)一

51、的客觀尺度 。 世界萬(wàn)物是不斷運(yùn)動(dòng)著的，在物質(zhì)的一切屬性中，運(yùn)動(dòng)是最基本的屬性，其他屬性都是運(yùn)動(dòng)屬性的具體表現(xiàn)。 能量特性是一切運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)的共同特性，能量尺度是衡量一切運(yùn)動(dòng)形式的通用尺度。,化學(xué)與能源,能量是物理學(xué)中描寫一個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)過(guò)程的一個(gè)量。一個(gè)系統(tǒng)的能量可以定義為從一個(gè)被定義的零能量的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為該系統(tǒng)現(xiàn)狀的功的總和。 一個(gè)系統(tǒng)到底有多少能量在物理中并不是一個(gè)確定的值，它隨著對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的描寫而變換。 能量有多種存在形式，各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，但在轉(zhuǎn)換過(guò)程中能量的總量保持不變。 自然界所有變化過(guò)程（或運(yùn)動(dòng)）無(wú)非包括兩種類型：釋放能量的自發(fā)過(guò)程和需要能量的非自發(fā)過(guò)程。,化學(xué)與能源,人

52、類社會(huì)的幾乎一切活動(dòng)都需要能量。 一切生命活動(dòng)都需要能量，如物質(zhì)代謝的合成反應(yīng)、肌肉收縮、腺體分泌等等。而這些能量主要來(lái)源于食物。 可以被利用作功的能量稱之為“有用能”，不能被利用作功的能量稱之為”無(wú)用能”。,化學(xué)與能源,關(guān)于能源的定義，目前約有20種。 科學(xué)技術(shù)百科全書：能源是可從其獲得熱、光和動(dòng)力之類能量的資源； 大英百科全書：能源是一個(gè)包括著所有燃料、流水、陽(yáng)光和風(fēng)的術(shù)語(yǔ)，人類用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換手段便可讓它為自己提供所需的能量； 日本大百科全書：在各種生產(chǎn)活動(dòng)中，我們利用熱能、機(jī)械能、光能、電能等來(lái)作功，可利用來(lái)作為這些能量源泉的自然界中的各種載體，稱為能源” 我國(guó)的能源百科全書：能源是可以直

53、接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動(dòng)力等任一形式能量的載能體資源。 確切而簡(jiǎn)單地說(shuō)，能源是自然界中能為人類提供某種形式能量的物質(zhì)資源。,化學(xué)與能源,按能源來(lái)源分類： 來(lái)自地球外部天體的能源（主要是太陽(yáng)能）。除直接輻射外，并為風(fēng)能、水能、生物能和礦物能源等的產(chǎn)生提供基礎(chǔ)。人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來(lái)自太陽(yáng)。正是各種植物通過(guò)光合作用把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能在植物體內(nèi)貯存下來(lái)。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動(dòng)植物經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代形成的。它們實(shí)質(zhì)上是由古代生物固定下來(lái)的太陽(yáng)能。此外，水能、風(fēng)能、波浪能、海流能等也都是由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換來(lái)的。 地球本身蘊(yùn)藏的能量。如原子核能、地?zé)崮艿取?/p>

54、 地球和其他天體相互作用而產(chǎn)生的能量。如潮汐能。,化學(xué)與能源,按能源的基本形態(tài)分類： 一次能源：即天然能源，指在自然界現(xiàn)成存在的能源，包括可再生的水力資源和不可再生的煤炭、石油、天然氣資源，其中包括水、石油和天然氣在內(nèi)的三種能源是一次能源的核心，它們成為全球能源的基礎(chǔ)；除此以外，太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、生物能以及核能等可再生能源也被包括在一次能源的范圍?nèi)； 二次能源：指由一次能源直接或間接轉(zhuǎn)換成其他種類和形式的能量資源，電力、煤氣、汽油、柴油、焦炭、潔凈煤、激光和沼氣等能源都屬于二次能源。,化學(xué)與能源,按能源性質(zhì)分類： 燃料型能源：包括煤炭、石油、天然氣、泥炭、木材等。人類利用自己體力以

55、外的能源是從用火開始的，最早的燃料是木材，以后用各種化石燃料，如煤炭、石油、天然氣、泥炭等。 非燃料型能源：包括水能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿?。目前正在研究開發(fā)和利用太陽(yáng)能、地?zé)崮堋L(fēng)能、潮汐能等新能源。 當(dāng)前化石燃料消耗量很大，但地球上這些燃料的儲(chǔ)量有限。未來(lái)鈾和釷將提供世界所需的大部分能量。一旦控制核聚變的技術(shù)問(wèn)題得到解決，人類實(shí)際上將獲得無(wú)盡的能源。,化學(xué)與能源,中國(guó)是目前世界上第二位能源生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。能源供應(yīng)持續(xù)增長(zhǎng)，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了重要的支撐。能源消費(fèi)的快速增長(zhǎng)，為世界能源市場(chǎng)創(chuàng)造了廣闊的發(fā)展空間。中國(guó)已經(jīng)成為世界能源市場(chǎng)不可或缺的重要組成部分，對(duì)維護(hù)全球能源安全，正在發(fā)揮著越來(lái)

56、越重要的積極作用。 中國(guó)政府正在以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，加快發(fā)展現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策，把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)放在工業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展戰(zhàn)略的突出位置，努力增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力，建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，繼續(xù)為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和繁榮作出更大貢獻(xiàn)。,化學(xué)與能源,能源發(fā)展現(xiàn)狀 能源資源總量比較豐富：我國(guó)擁有較為豐富的化石能源資源。其中，煤炭占主導(dǎo)地位，煤炭資源保有量10345億噸，剩余探明可采儲(chǔ)量約占世界的13%，列世界第三位。已探明的石油、天然氣資源儲(chǔ)量相對(duì)不足，油頁(yè)巖、煤層氣等非常規(guī)化石能源儲(chǔ)量潛力較大。中國(guó)擁有較為豐富的可再生能源資源。水力資源理論蘊(yùn)藏量折合年發(fā)電量為6.19萬(wàn)億千

57、瓦時(shí)，經(jīng)濟(jì)可開發(fā)年發(fā)電量約1.76萬(wàn)億千瓦時(shí)，相當(dāng)于世界水力資源量的12%，列世界首位。,中國(guó)的能源 狀況與政策,化學(xué)與能源,能源發(fā)展現(xiàn)狀 人均能源資源擁有量較低：煤炭和水力資源人均擁有量相當(dāng)于世界平均水平的50%，石油、天然氣人均資源量?jī)H為世界平均水平的1/15左右。耕地資源不足世界人均水平的30%，制約了生物質(zhì)能源的開發(fā)。,中國(guó)的能源 狀況與政策,化學(xué)與能源,能源發(fā)展現(xiàn)狀 能源資源儲(chǔ)存分布不均衡：煤炭資源主要儲(chǔ)存在華北、西北地區(qū)，水力資源主要分布在西南地區(qū)，石油、天然氣資源主要儲(chǔ)存在東、中、西部地區(qū)和海域。 主要的能源消費(fèi)地區(qū)集中在東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，資源儲(chǔ)存與能源消費(fèi)地域存在明顯差別。

58、大規(guī)模、長(zhǎng)距離的北煤南運(yùn)、北油南運(yùn)、西氣東輸、西電東送，是中國(guó)能源流向的顯著特征和能源運(yùn)輸?shù)幕靖窬帧?中國(guó)的能源 狀況與政策,化學(xué)與能源,能源發(fā)展現(xiàn)狀 能源資源開發(fā)難度較大：與世界相比，中國(guó)煤炭資源地質(zhì)開采條件較差，大部分儲(chǔ)量需要井工開采，極少量可供露天開采。石油天然氣資源地質(zhì)條件復(fù)雜，埋藏深，勘探開發(fā)技術(shù)要求較高。未開發(fā)的水力資源多集中在西南部的高山深谷，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，開發(fā)難度和成本較大。非常規(guī)能源資源勘探程度低，經(jīng)濟(jì)性較差，缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。,中國(guó)的能源 狀況與政策,化學(xué)與能源,能源供應(yīng)體系面臨的挑戰(zhàn) 資源約束突出，能源效率偏低：中國(guó)優(yōu)質(zhì)能源資源相對(duì)不足，制約了供應(yīng)能力的提高；能源資源分布不均

59、，也增加了持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)的難度；經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式粗放、能源結(jié)構(gòu)不合理、能源技術(shù)裝備水平低和管理水平相對(duì)落后，導(dǎo)致單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗和主要耗能產(chǎn)品能耗高于主要能源消費(fèi)國(guó)家平均水平，進(jìn)一步加劇了能源供需矛盾。單純依靠增加能源供應(yīng)，難以滿足持續(xù)增長(zhǎng)的消費(fèi)需求。,中國(guó)的能源 狀況與政策,化學(xué)與能源,能源供應(yīng)體系面臨的挑戰(zhàn) 能源消費(fèi)以煤為主，環(huán)境壓力加大：煤炭是中國(guó)的主要能源，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)難以改變。相對(duì)落后的煤炭生產(chǎn)方式和消費(fèi)方式，加大了環(huán)境保護(hù)的壓力。煤炭消費(fèi)是造成煤煙型大氣污染的主要原因，也是溫室氣體排放的主要來(lái)源。隨著中國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量的迅速增加，部分城市大氣污染已經(jīng)變成煤煙與機(jī)動(dòng)車尾氣混合型。這種狀況持續(xù)下去，將給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)更大的壓力。,中國(guó)的能源 狀況與政策,化學(xué)與能源,能源供應(yīng)體系面臨的挑戰(zhàn) 市場(chǎng)體系不完善，應(yīng)急能力有待加強(qiáng)。中國(guó)能源市場(chǎng)體系有待完善，能源價(jià)格機(jī)制未能完全反映資源稀缺程度、供求關(guān)系和環(huán)境成本。能源資源勘探開發(fā)秩序有待進(jìn)一步規(guī)范，能源監(jiān)管體制尚待健全。煤礦生產(chǎn)安全欠賬比較多，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不夠合理，石油儲(chǔ)備能力不足，有效應(yīng)對(duì)能源供應(yīng)中斷和重大突發(fā)事件的預(yù)警應(yīng)急體系有待進(jìn)一步完善和加強(qiáng)。,中國(guó)的能源 狀況與政策,化學(xué)與能源,中國(guó)能源形勢(shì)概述 作為世界