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实验室介绍

实验室简介

介观化学教育部重点实验室

(始于2003年)
 

  从上世纪八十年代末开始,纳米科学取得持续而迅速的发展,其更多地在材料领域专注于由各种物理特征长度所界定的零维、一维以及两维纳米物质单元的结构与性质研究,如各种形状与结构的纳米颗粒的制造、表征与物理化学性质等,而关注这些单元集合的行为的研究特色不那么鲜明,特别是关注异质或同质单元以特定结构组织起来去实现某种功能的研究还不够鲜明。从上世纪九十年代中期开始,介观科学研究也开始日益引起重视,因为实践中人们认识到自然界许多实际体系的功能往往是在超越分子或纳米的介观尺度上实现的,且与该体系的组成单元之间的协同作用密切相关,这种更加注重分子、团簇及纳米单元集合体性能的研究就是随着纳米科学的发展而日益受到重视的介观科学的研究内容。

  与均质纳米单元相比,介观结构体系中纳米组成单元之间的协同相互作用呈现出层次和内容上的多样性和复杂性,可以合理地期望,这类结构和组成调控幅度都很大的集合体可能会具有迥异于其组成单元的新功能,对其深入研究最终会导致新材料和新技术的诞生。介观科学这一层次的出现填补了从分子、纳米到经典科学之间的重要空白,为诸多领域中基础研究的创新带来极大的机会,是一个以多学科交叉为特色、有十分重要的理论和实际应用前景的前沿领域。

  立足于化学的基础理论与应用领域,研究介观科学问题,即介观化学。超分子化学与纳米材料化学的迅速发展与取得的成果为介观化学研究提供了坚实的基础,它注重超分子或纳米单元从下而上组装而成的介观结构新体系的构建、表征与性能研究,特别是异质或同质的各种纳米单元按某种结构集合发生的协同行为。按照以上所述的学术观点,介观化学旨在在化学领域内横向抽提各种体系的共性特色而加以研究,它涉及化学各传统分支并和生物、物理、材料等领域相互渗透,是人们认识介观尺度现象、创新题材丰富、富有挑战性也充满机会的科学园地。

  本实验室于2003年经教育部批准设立,立足于化学的基础理论与应用领域,根据科学和社会发展的需求以及实验室所依托南京大学化学学科与人员的实际情况,重点开展经由上所述的介观科学思想关联起来的几方面工作,分别是:1)介观催化;2)介观结构储能材料与器件;3)软物质介观结构与自组装;4)复杂体系的理论化学问题。考虑到到学术研究过程的渐进性,上述三个实验研究方向目前涉及的介观结构具有的共性为:功能中心+外围组织构造。复杂体系的理论化学研究主要是发展面向功能中心的精确计算与面向外围组织的分子模拟相结合的理论计算方法。
 

1、介观催化

  传统催化研究基本分为活性中心与宏观动力学这两个相对分离的领域。在介观科学思想指导下,催化研究将综合考虑活性中心与其外围组织的协同作用,并同时考虑催化过程中能量与物质输运的过程,从而形成一种综合多作用因素的综合研究,以应对能源与资源的高效利用、环境保护以及高端化学品生产的发展要求,在更大的尺度范围内构造多层次作用的高选择性、高活性催化剂,逐级组装成有实用意义的高性能催化过程及反应器。

  介观结构催化剂构造原则:1)催化活性集团由纳米个体及原子、分子团簇组成,通过组成和结构去调制其相互作用,以实现新的性能;2)在上述催化活性集团的周围构造调节其表面状态同时控制分子取向与输运的外围组织。上述集合体共同实现催化反应的高活性以及特定选择性,并根据实际反应需求逐级组装到催化反应器中。

  
2、介观结构储能材料与技术

  以锂离子电池、超级电容器为代表的化学储能是当下清洁能源应用的重要技术,其研究内容与方法与催化研究有千丝万缕的联系,经过许多年的探索,我们认为,现在要靠某种单一材料的运用而获得高超性能的可能性极小,这些技术在性能上获得进一步提升的方法一定来自储能材料介观结构的优化组合,其功能中心为储能反应中心,外围组织支撑该储能中心,并调节通向储能中心的电子与离子通道。

  储能中心的设计要点是构造稳固的高性能反应中心或特殊官能团的纳米结构单元,外围组织要支撑该储能中心并具有好的电子通道与作为离子通道的孔道结构,考虑这些结构单元保持电子、离子连通的逐级组装,结合电解质材料运用而实现高性能并服务于实用化器件。包括:1)由纳米单元组装而成高性能电极材料,这种组装应该同步考虑每一个单元的电子与离子连接;2)储能、集电与电解质的组合制造,逐级组装到实用器件。

  
3、软物质介观结构与自组装

  材料科学与生命科学的交叉是当下科学发展的一个显著趋势,化学自组装是其中的一个重大学术问题,也蕴含着介观化学的研究思想。以分子、分子聚集体或纳米组成单元,通过多种弱键相互作用构筑特定结构的过程,是介观结构软物质研究的主要内容。对靶向药物的研究最符合当下介观化学的思想,功能中心为药物,外围组织具备生物靶向识别和多重刺激响应性,共同组成介观结构药物转运系统。此外,1)设计与制备新型组装单元,探索新的可控组装策略;2)功能导向可控组装,构建蛋白特异性识别生物传感器;3)动态组合材料构筑,自修复生物材料等,也都是软物质介观结构与自组装的研究内容。

  
4、复杂体系的理论化学问题

  发展量子力学与经典力学结合的多尺度计算方法,采用量子力学方法描述上述介观体系功能中心的结构与电子结构特征,分析功能过程机制,而对于电子、离子、分子输运与扩散、动态自组装与识别的过程模拟采用各种分子模拟技术,在理论上支撑、理解实验研究中的关键科学问题与机理,并在此过程中,发展新的理论方法和具有自主知识产权的计算程序。

图1、介观化学实验室研究方向结构图
 

  介观化学实验室研究方向之间的关系可用图1表示,在介观化学思想的框架内,发展量子力学与经典力学结合的多尺度计算方法,支持互相关联与渗透的三个实验研究方向,在介观化学领域做出具有重要影响力的理论与应用成果,培养优秀的基础与应用研究人才。