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論文摘要：將量子化學原理及方法引入材料科學、能源以及生物大分子體系研究領域中無疑將從更高的理論起點來認識微觀尺度上的各種參數、性能和規律，這將對材料科學、能源以及生物大分子體系的發展有著重要的意義。

量子化學是將量子力學的原理應用到化學中而產生的一門學科，經過化學家們的努力，量子化學理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經受到足夠的重視。目前，量子化學已被廣泛應用于化學的各個分支以及生物、醫藥、材料、環境、能源、軍事等領域，取得了豐富的理論成果，并對實際工作起到了很好的指導作用。本文僅對量子化學原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領域做一簡要介紹。

一、在材料科學中的應用

（一）在建筑材料方面的應用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學開始廣泛地應用于許多水泥熟料礦物和水化產物體系的研究中，解決了很多實際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產物相之一，它對水泥石的強度起著關鍵作用。程新等[1,2]在假設材料的力學強度決定于化學鍵強度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學強度的大小差異。計算發現，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級與Sr-O，Ba-O共價鍵級都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級和Ca-O共價鍵級，由此認為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強度高于硫鋁酸鈣的膠凝強度[3]。

將量子化學理論與方法引入水泥化學領域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結構與宏觀性能聯系起來，也為水泥材料的設計提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應用

過渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質的超精細場和電子結構，通過量子化學計算表明，含有雜質石原子的磁矩要降低，這與實驗結果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學方法研究了鑭系三氟化物。結果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結構及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結構和光譜也是通過量子化學方法進行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質方面存在的差異[6]。

量子化學方法因其精確度高，計算機時少而廣泛應用于材料科學中，并取得了許多有意義的結果。隨著量子化學方法的不斷完善，同時由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學在材料科學中的應用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學的發展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應用

（一）在煤裂解的反應機理和動力學性質方面的應用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學理論的發展和量子化學計算方法以及計算技術的進步，量子化學方法對于深入探索煤的結構和反應性之間的關系成為可能。

量子化學計算在研究煤的模型分子裂解反應機理和預測反應方向方面有許多成功的例子,如低級芳香烴作為碳/碳復合材料碳前驅體熱解機理方面的研究已經取得了比較明確的研究結果。由化學知識對所研究的低級芳香烴設想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經驗方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關效應的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對設計路徑的熱力學和動力學進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應路徑、熱力學變量和表觀活化能等結果與實驗數據對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學基礎的研究有重要意義[7]。（二）在鋰離子電池研究中的應用

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環壽命長、安全可靠、無記憶效應、重量輕等優點，被人們稱之為“最有前途的化學電源”，被廣泛應用于便攜式電器等小型設備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領域發展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li+離子在正負兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機理對進一步改善鋰離子電池的性能至關重要。Ago等[8]用半經驗分子軌道法以C32H14作為模型碳結構研究了鋰原子在碳層間的插入反應。認為鋰最有可能摻雜在碳環中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預示在較高的摻鋰狀態下有可能存在一種Li-C和具有共價性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計算法，對低結晶度的炭素材料的摻鋰反應進行了研究，研究表明，鋰優先插入到石墨層間反應，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對材料晶體結構的進一步認識和計算機水平的更高發展，相信量子化學原理在鋰離子電池中的應用領域會更廣泛、更深入、更具指導性。

三、在生物大分子體系研究中的應用

生物大分子體系的量子化學計算一直是一個具有挑戰性的研究領域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學可以在分子、電子水平上對體系進行精細的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關酶的催化作用、基因的復制與突變、藥物與受體之間的識別與結合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學的方法對這些生物大分子體系進行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結構、設計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進而調控基因的復制與突變，使之造福于人類；可以根據藥物與受體的結合過程和作用特點設計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學的手段來研究生命現象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學發揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學計算變得更加迅速和方便。可以預言，在不久的將來，量子化學將在更廣泛的領域發揮更加重要的作用。

參考文獻：

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[2]程新,馮修吉.武漢工業大學學報,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料學報,1999,2(2):147

[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學學報,1990,48(10):973

[5]程新,陳亞明.山東建材學院學報,1994,8(2):1

[6]閔新民.化學學報,1992,50(5):449

[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

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綠色理念在室內設計中還處于探索研究階段，現階段的室內設計還存在許多問題，從我國現階段的室內設計發展狀況來看，室內設計主要存在五個方面的問題：第一，不重視室內設計相關的管理、法規、技術；第二，大量使用化學材料，嚴重影響了人們的身體健康；第三，單純強調裝修材料的運用，忽視了室內設計的內涵；第四，追求奢華氣派的設計風格，大量使用不可再生資源，造成資源浪費：第五，室內設計完成后的剩余材料隨意丟棄，造成環境污染。這些問題的產生要從主客觀兩方面進行分析，主觀方面是室內設計受到了人們錯誤價值觀的誤導，客觀方面是由于綠色理念在室內設計中發展不完善，設計師對綠色理念不清晰。

二、綠色理念在室內設計中的應用

隨著社會的快速發展，人們對居住條件又有了重新的認識，不斷強調在室內設計中凸顯“綠色”概念，綠色理念的應用已成為室內設計的永恒主題。

（一）重視“以人為本”的思想

以人為本是綠色理念在室內設計中的前提。室內設計要突破傳統的思想和做法，把以人為本的思想融入進去，設計出適合人們生活習慣和生活方式的室內環境，滿足使用者的心理需要，達到人與自然的和諧相處。綠色理念在室內設計中的應用要求設計者充分研究人的生理特性，掌握豐富的人體工程學知識。室內設計的根本原則是保障人們的安全和身心健康，設計者要選好裝修材料，根據使用者對空間面積、家居布置、消防安全的需求，融入以人為本的思想，科學合理的做好室內設計，而且研究人的生理特點可以合理的設計加劇的尺寸、燈光亮度、室內溫度等，滿足使用者生理特性與室內環境統一協調。

（二）做好空間設計

室內空間形態是由于墻體的圍合造成的，不同的空間形態對使用者的生理和心理會造成不同的影響。設計者要充分考慮現有的空間形態，通過綠色材料科學合理的對室內空間進行布局，創造出自然和諧的學習、工作、生活環境。使用者在室內的安全最為重要，這就要求室內設計要人性化，最大限度的在室內空間設計中滿足使用者對通風、采光的需求，而且還要根據不同空間的不同使用者，合理的選用室內設計的具體尺寸，成造出良好的學習生活環境。同時還要實現空間設計的功能化，室內空間主要分為客廳、臥室、廚房等區域，隨著人們生活水平的日益提高，這些區域已不能滿足人們多元化的需求，設計者要根據建筑原理并融合創新思想，對這些區域進行多元化、人性化的設計，最大限度滿足使用者多元化的需求。

（三）做好資源節約

室內設計的發展趨勢是對室內環境節能、環保、綠色設計。設計者在室內設計過程中首先要堅持再利用原則，資源的再利用是室內設計最為困難的地方，設計者要不斷總結經驗，加強國內外先進室內設計的學習，注意室內裝飾品、陳設品的完整性，使其再利用而不失完美，盡最大努力把資源的循環利用設計到室內環境中。其次要堅持再循環原則，當需要拆除室內部分功能時，要保證室內裝修、裝飾材料等資源的再生化，避免二次裝修而造成的資源浪費。最后還要堅持少量化原則，對室內空間進行設計時要減少消耗、降低成本，最大限度的使用所選擇的裝修材料，同時裝修形式要簡潔、減少對環境的污染。當前部分消費者過度追求室內裝修的“奢華”與“氣派”，不僅造成資源浪費，還在不同程度上危害了室內環境。所以人們要轉變思想觀念，改變世俗的審美心理，積極倡導裝修的簡約化，設計者在設計過程中要考慮裝修材料的實用性，避免過分追求高檔的裝修材料，運用先進的設計思想賦予室內設計廣泛的內涵，營造出一個綠色和諧的室內環境。

（四）做好材料選擇

綠色材料又叫生態材料，它是實現室內綠色設計的物質保障。設計者在進行裝修材料選擇時，要選擇實用性能好、環境污染小、可循環再利用的材料，這樣不但可以保障室內環境優良，還可以對自然環境起到一定的保護作用。因此，室內設計要多采用綠色材料，注重高新技術材料的應用。近年來，我國房地產產業發展迅猛，與其相關的家裝企業為滿足人們的需求也在不斷研發新產品，設計者要抓住這一有利環境，在材料的選擇上多采用具有保溫和采光雙重作用的玻璃、節水型的部件、節能性的燈具等；墻面材料要選擇多用水性涂料、墻紙和天然織物，它們含有較少的有害物質，對環境的污染較小，適合大面積使用；就地面而言，其具有更為廣泛的選擇性，地毯、地磚、天然石材等污染較小，室內設計中應盡可能多的使用這類材料；而室內設計中的軟裝修材料來說，也需選擇天然成分含量較高的材料，如窗簾、枕套、床罩等要多選用棉麻制品，它們污染小且不易褪色。總之，室內設計的材料要根據實際情況和使用者的需求而進行選擇，堅持節約、環保的原則，建立一個綠色和諧的室內環境。

（五）重視回歸自然

回歸自然是指充分利用綠色理念在室內設計中的應用，對室內環境與自然環境進行科學設計，保障室內采光、通風、隔熱、保溫的自然性，營造健康舒適的室內生活環境，實現室內環境與自然環境的和諧統一。就材料而言，設計時要多采用具有自然特性的裝飾材料，如家具的選擇要以木、竹、藤為主，它們具有天然的紋理，給人以懷舊簡潔、回歸自然的感覺；掛件和床上用品的選擇要以毛、麻、棉等傳統材料為主，它們具有天然的色彩，可營造清新古樸的情調。就空間而言，可注重墻面的鏤空效果，或采用大面積落地窗，使空間寬敞明亮，加大了與室外環境的溝通，保障了人們心情舒暢，滿足了人們回歸自然的心理需求。就環境而言，我們可以創造條件把自然環境引入進來，通過盆栽、水景、插花的設計，營造室內的自然環境氛圍，滿足人們親近自然的需求；同時還可以利用音頻視頻設備，把自然界的鳥語花香、風聲水聲引入室內，滿足人們對自然環境聽覺、視覺的需求。

三、結語

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[關鍵詞]材料；有機化學；分子模擬；創新；教學改革

1前言

材料有機化學作為化學學科的基礎課程，其主要研究化學材料的結構與性能。相較于其它課程，材料有機化學的理論性強、知識點多、化合物結構抽象、化學反應機理復雜。在傳統的教學中教師往往采用實物模型展示的方式，然而現今材料化學中的化合物種類繁多，現有的簡單模型已經不能滿足日常教學的需要，因此在教學過程中學生很難理解部分復雜結構的化合物及其反應機理。如何將材料化學中的結構形象化、具體化是提高該課程效率的關鍵。隨著計算機的飛速發展，計算化學作為一門新興學科在生物、醫藥、化工等領域發揮越來越重要的作用[1-2]。傳統的物理、化學研究方法面臨著周期長、設備復雜、資金不足等問題，而模擬計算從量子力學角度進行材料結構與性能研究，被認為是揭示微觀機理與加速宏觀研究的有效手段。當前，模擬計算已經大規模的應用在科學研究中。在眾多模擬軟件中，Materialstudio(MS)具有友好化的Wiondows操作界面，可以將微觀結構立體化，使得原本抽象的結構具有可操作性，同時它能夠解決很多宏觀上難以觸及的問題，諸如：分子軌道、偶極矩、分子間作用力、熱力學性質、結構穩定性和化學反應過程機理等。將MS應用在材料有機化學的教學中，可以將課本理論與實體化的反應歷程結合，提高學生的理解力，形成長效記憶。下面筆者將從材料有機化學的教學現狀、模擬軟件介紹以及模擬計算用于材料有機化學教學中的實例展開詳述。

2材料有機化學的教學現狀及存在的問題

材料有機化學課程的服務面大，基本是生物、化學、化工、醫藥等專業的必修課程之一，對本科生后續課程學習乃至科研工作都起著關鍵作用。然而對于多數學生而言，該課程通常被認為是一門可怕的、掛科率高的課程，部分原因是知識點分散且抽象化。現階段，板書和幻燈片教學是眾多高校及科研院所的主要教學模式，缺少革新。正如國際化學聯盟化學教育委員會前主席所感慨的那樣[3]：“我們的許多教科書和教學方法都停留在過去的30~50年里，沒有太大的改變。”然而抽象的書本教學使得學生在學習、理解該課程上出現了困難。學生難從本質上理解材料化學涉及的微觀結構、分子間作用力、反應機理，從而覺得有機化學是一門枯燥乏味的理論課程。在研究材料有機化學教學現狀中，渥太華大學化學教授艾莉森·弗林發現學生很不擅長對長鏈有機物進行命名，同時多數學生在思考反應機理時，很隨意的將電子從一個分子分配給另一個分子，而不考慮這些分子之間化學鍵的限制。弗林教授歸其原因是學生不能將材料分子的空間結構繪制出來，從而無法理解成鍵規則。總結而言，現階段的有機學習教學中主要存在以下問題：(1)單靠閱讀書本，學生很難構思出三維立體的分子結構；(2)抽線的理論知識使得學生無法從本質上理解反應機理，從而加劇對有機化學課程的厭學情緒。值得一提的是，特別是進入冠狀病毒病大流行的特殊時期，晦澀抽象的材料化學在遠程教學中面對著更大的挑戰。

3分子模擬及模擬軟件簡介

盡管如此，新挑戰也預示了新契機。現今隨著計算化學的飛速發展，分子模擬被認為是一種提高學生學習化學知識興趣的有效手段。諸如：Gaussian、Vasp、CP2K、Materialstudio等，這類模擬軟件均基于一系列的半經驗公式，包含密度泛函以及從頭算方法等，被廣泛的應用于材料有機化學中的微觀結構解析以及反應機理探究，其在數字教學中或將發揮巨大作用。渥太華大學弗林教授他們借助可視化的OrgChem101模擬計算程序幫助學生了解化學語言和符號，并掌握長鏈有機物的命名及成鍵規則。此外，新加坡國立大學的化學教育者最近開發了一種方法，將化學模擬軟件融入實驗教學，改進了當地的教學策略。在國內，安徽醫科大學提出將Gaussian模擬軟件用于波譜分析的教學，利用模擬光譜有效區分出手性對映異構體[4]。此外，重慶文理學院采用化學模擬軟件輔助反應機理的教學也取得很好成果[5]。然而如何融合模擬計算更形象的呈現材料有機化學中的抽象模型，相關報道較少，亟需我們進行深入的研究探討。筆者自高校工作以來一直從事材料有機化學的教學科研工作，對材料化學課程的現狀以及突破點有一定的理解，因此提出以模擬軟件輔助材料有機化學的教學模式。BIOVIAMS擁有一套完整的建模和模擬環境[6]，包括：量子力學、分子力學、分子動力學、介觀動力學等，旨在讓材料科學和化學領域的研究人員預測和理解材料的原子和分子結構性質及其表現出的宏觀性能。眾多科研人員正在利用MS軟件設計開發各種類型材料，包括催化劑、聚合物、復合材料、金屬、合金、制藥、電池等。本文筆者將闡述自己在材料有機化學教學中，采用理論模擬輔助教學的一些實例，包括發展三維立體教學，通過MS這一可視化模擬軟件，在線搭建三維長鏈分子及其空間構型，更直觀的獲取材料分子的結構信息；為化學反應提供可視化的動態過程，讓學生對反應歷程、過程機理有本質性的理解。實踐證明，將模擬軟件融入材料化學的教學中，充分調動了學生的學習激情，提高了學生對基礎知識的深入理解。

4軟件模擬在材料有機教學中的應用實例

4.1分子三維結構的在線搭建及其空間結構分析

在材料有機化學課程中，分子結構、同分異構體以及立體異構體等是一個重要概論。初次接觸的學生往往會由于缺乏空間想象力，而無法在腦海中操縱、旋轉復雜這些結構。利用MS中Visualize模塊可以繪制分子的微觀結構以提升學生對空間想象力的培養。圖1可視化的有機分子及其空間結構Fig.1Visualizedorganicmoleculesandtheirspatialstructure如圖1a中，我們可以看到不同雜化方式的碳原子，并且能夠從三維角度觀測它們的空間構型。再如，判斷同分異構體的構象是教學中的一個重難點。我們知道同分異構體是由于分子中單鍵的旋轉而產生了相同原子而不同排列形式的構象，同分異構體間的化學性質截然不同。如圖在1b-c中，如何判斷1,2-二氯代丁烷兩種同分異構體的內內消旋性？MS模擬軟件可以輕松解決該教學問題。首先通過在MS繪制出1,2-二氯代丁烷的兩種空間構象，可以清楚看到圖1c中的對稱性是由不對稱性的碳原子引起，因此具有內消旋性，即為(2R，3S)1,2-二氯代丁烷。以上僅僅是簡單分子的繪制，MS的功能強大在于它特別適用于復雜分子的繪制，如碳納米管、C60、石墨烯等，如圖1d。MS可以自定義的繪制任何有機物質，該軟件的工具欄提供了多種雜化方式的碳鍵，方便在教學中隨意的切換。利用該套繪制分子空間結構的功能，學生能夠從不同角度觀察分子的空間結構及成鍵方式，從而輕松解決材料化學中涉及鍵長、鍵角、軌道、電荷分布以及原子共平面等問題。通過在線搭建不同空間構型的有機化學分子，學生甚至可以遠程親手操控、旋轉、增減該結構，加深對雜化理論以及同分異構的理解，極大增強對材料有機化學學習的興趣。

4.2模擬計算分子間作用力

分子間作用力是指作用于原子和它相鄰粒子之間的引力或斥力。分子間力相對于分子內力來說是很微弱的，主要包括氫鍵、配位鍵、范德華力、共價鍵、色散力等。深入理解分子間作用力對于材料有機化學學習非常重要。這里筆者將以氫鍵為例，闡述模擬計算在識別氫鍵中的有效作用。氫鍵指的是一個氫原子與一個電負性高的元素(通常是氮、氧或氟)以共價鍵的形式結合，鍵能介于成鍵作用和非鍵作用之間，常被描述為偶極-偶極鍵的一種極端形式。實際中，氫鍵的形成需要滿足一定距離和角度要求。如何判斷是否有氫鍵形成以及氫鍵形成的數量是判斷材料穩定性的一個關鍵。在模擬計算中，通常根據以下兩個標準進行氫鍵形成的判斷(圖2a)：(1)施體(指與氫原子成健的原子)與受體(指與氫原子形成氫鍵的原子)之間的距離小于等于0.35nm；(2)氫原子-施體-受體之間的夾角小于等于30度。為進一步在課堂上使氫鍵可視化，我們創建了水分子(圖2b)，可以看到幾何優化后的水分子氫氧鍵長為0.96?，鍵角約為104.5度。而后構建1.0kg/m3的水盒子，能量最小化后計算出氫鍵分布。圖2b中氫鍵用藍色虛線表示，可以清楚看到中間水分子形成了3個氫鍵，進一步計算顯示，水相中每個水分子約可形成3.5個氫鍵，跟文獻報道一致。同時該模擬計算也給出了體系內的范德華及靜電作用能分別為27.5kcal/mol，-150.9kcal/mol。MS為體系分子間作用提供了可視化的分析方法，在教學過程中，通過該套算法搭建分子間微觀作用力與材料宏觀性能之間的匹配性關系，將材料有機化學教學提升至一個新的高度。

4.3催化反應過渡態計算

過渡態理論認為化學反應中原子排列位置的變化是連續的，從反應物到生成物中間存在一個中間體，即過渡態，該中間體與反應物的能量差為反應活化能(圖3a)。催化劑的加入能有效降低該活化能，使得化學反應更易進行。為了更直觀的描述催化反應過程，筆者常用MS中的量化計算輔助課程講解，使得原本抽象的催化反應歷程具有可視化效果。甘油催化裂解是筆者在教學課堂中常舉得一個例子。眾所周知，甘油蒸汽在沒有催化劑的情況下十分穩定，解離能很大，但是在Co催化作用下，其裂解活化能得以有效降低。為了探討甘油蒸汽在Co0和Co2+界面處的轉化過程，采用量子力學模擬計算甘油催化裂解。如圖3b，計算過程中，由于能量最小化的驅使下，甘油分子最終停留在Co0和Co2+界面處，此時體系最穩定。隨后根據公式計算出甘油四步裂解過程中的能壘數值，并繪制過程階梯圖，如圖3c。根據該階梯圖，我們能清晰的看到甘油分子在界面處的裂解催化所需的能壘最低，即表明此反應最容易發生。材料化學教學中通過該實列的操作展示，學生可以更直觀的看到化學反應是如何一步一步進行的，并且了解每一步都需要克服反應能壘，加深對催化反應及過渡態理論的理解。反應步驟一：CH2OHCHOHCH2OH→CH2OHCHOHCHO*+H2反應步驟二：CH2OHCHOHCHO*→CH2OHCH2OH+CO*反應步驟三：CH2OHCH2OH→CH3CHO*+H2O反應步驟四：CH3CHO*→CH4+CO*

5結束語