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[交流] 美国自然科学基金材料与化学展望

作者:蒋黎琼]
[发布时间:20061102]
[来源:上海情报服务平台 2006年11月2日中国科学技术信息研究所加工整理]

  前言

  材料科学作为未来科技发展的关键技术，一直是世界各国关注的重点，进行各种基础设施的投入和研究人员的资助，期望在材料科学的基础研究方面获得突破。虽然材料科学的研究领域广泛，涉及众多的学科和分支，但材料科学有一个共同目标——理解和控制关于分子和材料的所有知识——小到在一纳秒（1秒=1,000,000,000 纳秒，人类无法感知的这一科学上“瞬间”有着现实的意义，许多运动的物体在一纳秒时间内瞬间是静止的。对于用于导航的“全球定位系统”发出的那些卫星信号来说，纳秒的精确度至关重要：一纳秒的时间误差对应的空间误差约为一英尺，即光在这段时间走过的距离。）内化学键的制造和破坏，大到超过十年使用时间桥梁支架的老化和腐蚀。在这个共同的目标下，化学和材料领域跨越了从基本粒子研究到广泛使用的人造骨头的众多研究方向，这些分支包括冶金学，研制轻质、防腐和高强度的合金；聚合体化学，创制出能替代我们汽车车身金属的高强度塑料；固态化学，发明出新的材料用于轻量电池；凝聚态物理和化学，发现了新的超导体和业态晶体；工业化学，大量生产包括从燃料到药物的所有东西；民用工程，设计寿命更长的用于高速公路的改良混凝土；电机工程，制造更小、更快和更便宜的超导体；陶瓷工艺，创造出高温涂层用于涡轮叶片；生物化学，设计能通过生物自修复功使植入和原机体合为一体；实验科学，开发了许多新物质，如用于修复植入的人造骨头、用于可印刷电子器件的导电聚合物、用于神经修复的自聚合纳米光纤、用于有毒污染清除的纳米级铁粒子和用于储氢的多空有机金属化合物。

  材料设计

  科学家希望有一天能通过计算机界面实现对特定物质材料的设计。但目前我们只能说这种设计的想法还只是一种展望，现在大部分有用化合物的合成方法都是通过不断尝试和失败来发现的，这种“设计”很大程度上依靠研究者的知识、经验和科学猜想。但是由于研究人员的不懈努力，通过在三个领域获得的快速进展使我们有可能实现设计材料的构思。

  首先，科学家现在能更好的理解材料内部的结构以及化学反应过程是如何进行的。科学家利用康乃尔高能同步加速器光源这样的设备，通过强流X射线来探测分子和材料的结构；利用低速、冷中子来探测物质结构，而这项技术已经广泛应用在从药物设计到机翼腐蚀检测的众多领域；诺贝尔化学奖获得者加利福尼亚理工学院的Ahmed Zewail通过“飞秒”激光研究了在小于一纳秒的时间范围内化学键的制造和破坏。

  其次，化学和材料学家在数学理论、计算机模拟和数据分析方面取得了巨大的进展。许多进展在很大程度上是建立在1999年诺贝尔化学奖获得者——西北大学的John Pople、加州大学的Walter Kohn和Santa Barbara——的理论和计算方法的研究基础上(使用毫微微秒化学技术对化学反应过程进行的研究，让人们通过“慢动作”观察处于化学反应过程中的原子与分子的转变状态，从而从根本上改变了我们对化学反应过程的认识)。同时，新的概念和理论也在不断发展，例如，斯坦福大学的Vijay的小组将计算打包放到互联网上利用几千台空闲的个人计算机进行处理，在模拟蛋白质分子折叠（和错折叠）取得了重大进展；在麻省理工学院的Gerbrand Ceder教授和他的合作者Dane Morgan一起利用数据挖掘技术来预测蛋白质、合金和其他新材料的晶体机构。

  最后，除非能制造出物质来，否则所有的合成物设计都是没有意义，而研究人员正在努力开发出新的分子结构模块希望能达成这个目标。在这些分子结构模块中也许最著名的要算纳米管（碳纳米管，又名巴基管，是由石墨中的的碳原子卷曲而成的管状的材料，管的直径一般为几纳米到几十纳米，最小为1纳米左右，管的厚度仅为几纳米）、巴基球（巴基球，也叫做巴克明斯特富勒烯，是在20世纪90年代合成的化学多面体。C60是由位于截头二十面体顶点上的60个碳原子组成的碳分子。富勒烯及其衍生物具有许多优异的性能，具有超导，半导体，强磁性等，在光、电、磁等领域有潜在的应用前景，可能用作润滑剂、催化剂、显微镜扫描仪的扫描头，或用在新的蓄电池内。）。

  创造新材料

  从石器、铜和铁器时代到钢铁、塑料和半导体的出现，人类文明发展史同时也是对物质和合成物的掌握的进展历史。现在化学家、物理学家和工程师正在依靠对“聪明”材料的研究创制新一代的拥有特定性质的材料，这些材料能对环境的变化作出反应。有些能对运动变化作出反应进行修正从而减缓波动；有些能对压力、温度或者电子活动的变化作出反应改变形态或粘度，但仍能“记住”初始的设置。许多聪明材料将被应用于未来的小型化、低功耗的感应器，能够探测有毒化学物、生物危害或辐射以及许多其他的刺激。

  这其中最激动人心的研究要数超导材料的设计，能在“高温”下发挥作用。在常温或接近常温的环境下超导材料的技术突破能对全球电力传输起到变革。另外，研究人员希望能开发出有效和便宜的材料用于光电装置，将光能转换成电能，这将大大减少人类使用化石燃料来发电的需求。研究人员还对能控制不同物质的光学特性的方法有很大的兴趣，这其中有能用于照明的产生白光的发光二极管、用于众多产品中的新型的液晶以及用新的方法来控制光纤传输和光、电信号转换从而加速和提高通讯。在医药和生理领域，蛋白质作为新材料的使用层出不穷，包括用于骨头生长的合成构架的材料；人造皮肤和关节的合成；植入式药物传送系统；“生物适应性”材料能不产生免疫系统排斥，并能发挥器官的功能。

  “绿色化学”

  近年来，越来越多的研究人员努力去寻找环境友好型的方法来生产产品、创造新的化学反应、处理废弃物、生产能量以及监控空气和水的状况。绿色化学研究项目不仅能在一个更清洁的环境中弥补原来的破坏，还能在未来以一种更有效的方法使用原材料，充分强调再生资源和有潜力的独立能源。

  在众多努力的目标中，最快能实现的可能是减少或者消除有毒溶剂和金属、腐蚀性化学物以及其他有害物质的使用。最成功的例子就是北卡罗莱纳州大学的Joseph DeSimone及其研究小组以及美国北卡罗莱纳州立大学的Chapel Hill和Raleigh, DeSimone开拓性地在各种不同地化学工业流程中只采用二氧化碳作为溶剂，这项技术已经被成功地应用到从特富龙生产到半导体制造的众多行业中。如果该技术能获得更广泛的应用，那将显著的降低许多行业的污染。

  同时，其他一些研究人员致力于研究作为新能源的氢的使用。氢作为汽车和其他应用的能源非常具有吸引力，应用于内燃机、燃料电池中，最终产物只有水，不会产生污染环境的有毒气体和引起温室效应的二氧化碳。氢的制备是制约氢应用的一个主要因素，目前采用天然气作为原料制备会产生二氧化碳，而这正是应用氢希望消除的。现在正在寻找替代的方法，比如近日发明了一种能从葵花子油中提取氢的新技术，这种氢气有望成为新型、环保的汽车用燃料；模仿叶子的“光合作用”在工业中利用阳光分解水产生氧气和氢气。

  NSF的努力

  研究人员近年来在材料科学方面取得的显著成果，很多程度上要归功于美国国家科学基金会（NSF）的支持。NSF是一个专门负责推进美国科学和工程事业的独立的联邦政府机构，它在支持全美大学和其它学术机构的基础研究、教育和基础设施建设方面起到了至关重要的作用。NSF拥有28个材料研究科学和工程中心、14个纳米科学与工程中心、国家强磁场实验室以及用于众多大学实验室的基金和各种联盟，帮助研究人员进行这个学科里最尖端的挑战。

  在材料研究的过程中，NSF资助了一系列的设备、项目和研究。在尖端设备方面，如康乃尔高能同步加速器光源、印第安纳大学低能脉冲中子源、“飞秒”激光等。NSF的绿色化学的投资还在不断增长，而且已经取得了喜人的成果。那些环境保护机构的“美国总统绿色化学挑战奖”的学术界的获奖者都获得了NSF的资助，该奖项是专门颁发给大力推动在绿色化学和工程研究中取得重大社会影响的人士。

[ Last edited by luo.henry on 2008-4-10 at 14:02 ]

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