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出版者:上海科技文献

作者:保罗·德鲍威

出品人:

页数:141

译者:刘曦

出版时间:2010-5

价格:20.00元

装帧:

isbn号码:9787543943162

丛书系列:

图书标签:

• 化学
• 趣味实验
• 科普
• 青少年
• 科学
• 教育
• 实验
• 知识
• 学习
• 儿童

探秘无形之界：材料科学前沿视角 本书聚焦于当代材料科学的革命性进展，深入剖析从基础理论到尖端应用的广阔图景，旨在为读者构建一个理解物质世界未来走向的知识框架。 第一部分：新物质的诞生与理性设计 本章致力于探讨超越传统材料范畴的新型物质的构筑原理与理性设计方法。我们不再仅仅依赖于对现有材料的改良，而是着眼于从原子和分子层面出发，按需“打印”出具有特定功能的结构。 1.1 拓扑材料：跨越维度的电子行为 拓扑材料是凝聚态物理中最引人注目的分支之一。本书详细介绍了拓扑绝缘体、拓扑半金属（如狄拉克和外尔半金属）的理论基础。重点阐述了拓扑性质如何赋予材料表面或边缘电子奇特的保护性传输特性，使其对缺陷和无序具有极强的鲁棒性。我们将追溯从早期理论预测到实验中成功合成的复杂过程，特别是如何通过精细调控晶格结构和自旋轨道耦合来实现拓扑相变的具体实验技术，如高压合成、分子束外延（MBE）和化学气相沉积（CVD）。 1.2 维度控制下的功能化：二维材料的无限潜力 石墨烯的发现开启了材料科学的“二维时代”。本部分深入探讨了除了石墨烯之外的其他重要二维材料家族，如过渡金属硫化物（TMDs，如MoS2, WSe2）、六方氮化硼（h-BN）以及墨西哥烯等。我们不仅分析了它们的电子结构、光吸收特性和机械柔韧性，更着重于如何通过层数控制、表面功能化（掺杂或吸附）以及构建异质结（vdW-heterostructures）来定制其光电器件、催化和储能性能。特别是对范德华异质结中产生的“魔角”现象及其带来的超导、莫尔带等奇异物理的剖析，将展示维度控制在功能实现中的核心地位。 1.3 仿生与自适应材料：向自然的学习 材料的未来形态必然是与环境的动态交互。本章探讨了如何从生物系统（如蜘蛛丝、贝壳的珍珠层、树木的结构）中汲取灵感，设计出具有自修复、形状记忆或刺激响应能力的智能材料。我们会详细介绍响应外部刺激（光、热、pH值、电场）的聚合物网络、液晶弹性体，以及利用微流控技术和3D打印技术实现的复杂多孔结构，这些结构模仿了天然组织的层级结构，从而实现力学性能的显著提升和能量的有效耗散。 第二部分：能源转换与储存的前沿阵地 本卷聚焦于解决全球能源挑战的关键材料体系，探讨如何通过材料创新来提升能源的获取、转化和利用效率。 2.1 下一代光伏技术：超越硅的界限 虽然晶体硅太阳能电池占据主导地位，但为了实现更低的成本和更高的效率，研究的焦点正转向新型半导体材料。本书详尽介绍了钙钛矿太阳能电池（PSCs）的结构、稳定性挑战及其近期在界面工程和无机化方面的突破。此外，我们也将探讨量子点太阳能电池（QDSCs）如何利用其尺寸效应实现光谱吸收的调谐，以及叠层电池的设计原理，即如何将不同带隙的材料堆叠以更有效地捕获太阳光谱的全部能量。 2.2 高能量密度储能系统：固态电池的突破口 锂离子电池正逼近其理论能量密度极限，固态电池被视为下一代高安全、高能量密度的理想选择。本部分深入比较了氧化物、硫化物和聚合物固态电解质的离子电导率、界面阻抗和机械兼容性。重点分析了固-固界面处锂枝晶的形成机理及其抑制策略，包括使用缓冲层材料、原位形成的固态电解质界面（SEI）层以及先进的电池构筑技术。 2.3 催化剂的微观调控：绿色化学的基石 高效催化是实现可持续化学过程的核心。我们关注于纳米催化剂的表面结构敏感性。通过精确调控贵金属纳米颗粒的尺寸、形貌以及载体材料（如金属氧化物或碳基材料）之间的电子耦合，可以显著改变反应的活性和选择性。本书特别阐述了“单原子催化剂”（SACs）的概念，即最大化贵金属的利用率，并通过理论计算验证了其在氧还原反应（ORR）和二氧化碳还原反应（CO2RR）中的卓越性能。 第三部分：信息存储与量子计算的物质载体 随着摩尔定律的放缓，材料科学正肩负起推动信息技术进入新纪元的重任。 3.1 斯格明子与磁性信息载体 斯格明子（Skyrmions）作为一种拓扑稳定的磁性涡旋结构，因其极小的尺寸、高密度存储潜力以及低能耗的驱动特性，成为下一代磁性随机存取存储器（MRAM）的有力竞争者。本章解释了形成斯格明子所需的关键材料特性，例如非共面磁交换耦合（Dzyaloshinskii–Moriya Interaction, DMI）。我们将分析如何通过界面工程和材料应力来精确控制斯格明子的成核、运动和湮灭，为构建无损耗的非易失性存储器提供材料基础。 3.2 量子计算的硬件平台：新型量子比特的材料选择 量子计算的实现高度依赖于物理系统的可控性、相干时间和可扩展性。本书系统性地评估了当前主流的量子比特材料平台：超导电路（及其所需的微纳加工技术）、基于半导体量子点（如硅基或III-V族材料）的电子自旋量子比特、以及拓扑量子比特（依赖于Majorana费米子的观测）。深入讨论了材料纯度、缺陷控制以及低温环境下材料电学和磁学行为的奇异性，这些都是决定量子比特性能的关键因素。 3.3 软物质中的信息处理：液晶与高分子网络 除了电子材料，软物质也在信息领域展现出潜力。本部分探讨了液晶材料在显示技术中的精细调控，以及如何利用高分子网络对外部信号进行非线性响应和信息存储。特别是对响应性水凝胶在生物传感和药物递送中的应用进行了材料学层面的解析，关注于水凝胶网络结构如何影响其膨胀/收缩动力学和传感灵敏度。 总结而言，本书为读者提供了一套全面的、面向未来的材料科学视野，强调理性设计、跨学科交叉，以及材料特性与宏观功能之间的深刻关联。

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