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1、现代化学与中学化学,新课标的教育理念:,以学生的发展为 本,促使学生自主学习,“化学课程通过化学知识与技能,过程与方法,情感态度与价值观三个方面来体现对未来社会公民科学素养的培养.”,零 抗癌药物顺铂的发现和应用,科学思维方法的探索,在科学研究过程中往往会有“serendipity”，“serendipity”的定义是：一种假设的能意外找到有价值东西的天赋才能。Rosenberg博士发现顺铂这种化合物的用途的故事就是一个很好的例子,也说明了科学研究中“意外或偶然”的重要性。,Rosenberg 博士最初的兴趣是天文学、然后是化学，再后来是物理化学，最后他的兴趣转移到物理上，成为一名物理学家。,
2、Barnet Rosenberg,他读博士时的导师是爱因斯坦的学生，物理系的Harmut Kallman教授，他是一位理论和实验结合的物理学家。当时他的博士论文课题是关于固体中的光电现象，为此他注意到光与生物材料相互作用的可能性。,1961年他从纽约来到密之根州立大学，创建了生物物理系。就是在这儿他和他的同事们后来发现了一种能够有效治疗某些癌症的化合物。,顺铂的发现和应用的科研过程,实验课题的提出,第一次实验,第一次实验结果的首次启示,顺铂的第一次动物试验,临床试验它工作的相当漂亮！,生物物理系建成以后，我们感到仅仅研究蛋白质和视网膜对于生物物理系来说还不够“生物”，必须带领学生做更“生物”一
3、些的实验。于是我设计了一个非常奇妙的实验。该实验是受到了生物教科书上的一幅图，即细胞的丝状分裂图的启发而产生的。,实验课题的提出,丝状分裂的过程,细胞的丝状分裂图,这引起了我的兴趣。但我并不是唯一一个发现这个类似现象的人，但是没有人作过实验来验证。所以我想到设计一个相关的实验。,这幅图对物理学家是非常熟悉的。在一个条形磁铁上放一张纸，撒些铁屑在纸上面，可以得到磁偶极场的图。它与细胞丝状分裂图非常相似。,第一次实验,我们首先找到这样一种装置细胞培养仪，当我们向细胞注入能量时能够检测到发生的变化。我们取两根铂电极并插入培养仪的腔内，然后我们想做的就是向培养仪中正在生长的细胞通交流电，想看看细胞分裂
4、速度是否会有变化（目的）。,我们先以E.coli（一种细菌）为研究对象。当接通电源时，我们发现了令人惊奇的事情：腔内细菌的密度几乎降到了零点！实际上这已经变成一个无菌腔。我们用显微镜观察了从腔内中的流出物，结果看到的不是正常的E.coli细胞，而是很长的丝状体，是E.coli细胞长度的300多倍，很明显这是发生了新的情况。,（左）正常的大肠杆菌细胞（右）在含有顺铂的介质中生长的大肠杆菌细胞，顺铂阻碍了细胞的分裂，但没有使细胞生长停止，长成了长长的丝状物。,当关闭电场后，长长的丝状物会断裂成一段一段的细绳状，每一段又断裂成正常生长的E.coli细胞。当我与该领域的专家交流的时候，都认为其中还有许
5、多疑问需要人们去了解。,寻找原因：是什么导致了这个结果？,我们必须测定是否是电场本身的原因。于是我们尝试对实验做了修改。我们做了两个腔室，一个腔室中插入电极，另一个中放入细菌。将培养液输入接通电场后的第一个腔室，然后将它们通入细菌所在的第二个腔室，这样细菌就不是直接暴露在电场中了。,接通电源、启动电场后的结果和前面一样。这就说明：向营养介质通电流的过程引起了某种长期的化学变化，从而对细菌生长造成了影响。,首先我们要设法鉴别第一个腔室中通电后产生了什么化学物质。通过改变放进培养液中的化学物质，我们发现必须要有铵盐、有氯化物、而且是在有氧气的环境下。这是三个需要的条件。但是到底生成了什么物质呢？一
6、种可能性是在铂电极上发生了电解作用。于是我们开始研究铂电极上的电解产物。,第一次实验结果的首次启示,一种很显然的化合物可能是(NH4)2PtCl6或者是(NH4)2PtCl4。我们买了这些化学药品，然后用与腔室中相同的浓度做实验，但是它们对细菌没有任何影响。我们把这些化学药品的溶液放在桌子上，几个星期后用它们再做实验，突然发现它们对细菌有影响了尽管影响不大，但是产生了一些丝状物，现在新的问题来了：是什么引起了含铂盐溶液的变化？通过测试，我们发现与光有关。,于是我们开始研究铂的光化学性质。我们用光照射(NH4)2PtCl6或(NH4)2PtCl4溶液，然后将产物分离成几类样品。我们收集了带两个电
7、荷以及一个电荷的物质样品等等。然后我们分别试验了这些物质，发现有活性的是中性物质。经过鉴定，我们得出结论：生成的中性物质是Pt(NH3)2Cl2。,于是我请Andy合成了反式配合物，然后将它放到细菌溶液中。什么也没有发生！我们确实感到十分吃惊，最后Andy说：“我合成的反式配合物热稳定性更强。我们再试着合成顺式配合物，看看会发生什么。”结果证明顺式配合物有作用！,trans-Pt(NH3)2Cl2,cis-Pt(NH3)2Cl2,这种叫顺铂的化合物能够阻止细菌的细胞分裂。,顺铂的第一次动物试验,做完细菌实验，我们试验顺铂对于动物体内癌细胞的影响。先研究多少剂量能杀死动物。然后我们把肿瘤移植到动
8、物体内，用顺铂进行治疗，观察对动物以及肿瘤的生长有什么影响，实验证明，顺铂对肿瘤的生长有重要影响。我们开始猜测，顺铂在消灭正常细胞前有非常有趣的抗癌活性能选择性的消灭癌细胞。,我与国家癌症研究所联系，然后被邀请去做一个报告。我带了四小瓶化合物：顺式和反式的Pt(NH3)2Cl4、顺式和反式的 Pt(NH3)2Cl2去用于试验。报告结束后，我把我的化合物留给他们，他们用不同的肿瘤系统来做试验。几个月后，试验结果表明，对他们的肿瘤体系有作用。,临床试验它工作的相当漂亮！,1972年，国家癌症研究所在许多地方做临床试验，在Roswell park Memorial Institute(in Buff
9、alo.NY)发现顺铂对治疗睾丸癌有很高的活性，同样在伦敦的Royal Marsolen Hospital 发现顺铂对治疗卵巢癌有活性。,人们对此也产生了越来越浓的兴趣，陆续投入了更多的钱来做临床试验。在此期间，我们还试验了铂配合物以外的化学物质，可以看到，钴以及其他金属的化合物也有活性，这决不是铂化合物的独特特性。,一旦把顺铂注入病人体内，就必须考虑它的毒副作用，要找到合适的剂量，因为这些化合物有明显的肾毒性。1973年大部分临床试验者都有这样的感觉：用这种药物治疗很有意思，但这种药物使用起来也非常危险。,直至1974或1975年当Drs.Cvitkovic和Krakoff 在Sloan K
10、ettering Institute 提出了一个错误但却不失聪敏的观点。他们说：铂药物含有重金属，我们知道重金属会引起肾中毒，那么可以通过向病人体内输入水这种简单的办法来稀释这些通过肾的药物，从而缓解肾中毒。他们用顺铂做这个试验，结果非常好。这样使得肾毒性几乎降到了零点，所以用药剂量已经不再是一个重要因素。,另外，印地安那大学医学院Larry Einhorn带来了使用顺铂的想法，通过Roswell Park 等人的独立证实，顺铂对治疗睾丸癌是有效的。如果将它与两种其他药物结合使用，即Vinblastin（长春碱）和Bleomycin（博来霉素）对治疗睾丸癌有某种活性。这也是极为出色的工作。睾丸
11、癌的死亡率一般在80%，而用顺铂治愈率达95%。这是近二十年来治疗癌症方面最激动人心的进展，现在在治疗卵巢癌，膀胱癌，骨肿癌症等方面的首选药物是顺铂。,金刚石的合成,文献报道:(1)高温高压石墨相变制备金刚石 1300 石墨 金刚石 5.5万大气压 F.P.Bundy et al.,Nature,176,51(1955)(2)爆炸法制金刚石 N.R.Greiner et al.,Nature,333,440(1988)(3)水热法生长金刚石，800,1.4K bar 但需入金刚石晶种 X.-Z.Zhao et al.,Nature,385,513(1997)(4)CVD 法可用CH4或C2H2
12、 在高温下制金刚石膜 J.C.Angus,et al.,J.Appl.Phys.39,2915(1968)(5)高温常压下在Cl2/H2气氛下立方SiC转化为金刚石结构的碳 SiC+2Cl2 1000 SiCl4+C(金刚石)Yury Gogotsi et al.,Nature,411,283(2001),金刚石的催化热解合成,Wurtz反应:(1855年)R1XR2X2Na R1-R2-2NaX 1L.Finar,Organic Chemistry,Vol.1,p76.用金属钠还原CCl4进行Wurtz反应：碳原子间将连成三维的sp3键结构,即成金刚石。,1)形成的黑色粉末线将玛瑙研钵磨毛2
13、)经过酸洗处理后无定形碳含量减少，XRD能呈现出金刚石三强峰3)Raman光谱测得金刚石1332特征峰4)粉末的比重3,CCl4+4Na 700,Ni-Co C(diamond)+4NaCl,金刚石的XRD衍射峰,金刚石的Raman光谱,A reduction-pyrolysis synthesis of diamondYadong Li and Yitai Qian,Science,1998,281,246.文章被引用7次,给 作 者 的 评 价 本文描述的研究,如果可重复,则不但激动人心而且很重要。因为金刚石在低的温度(700C),低的压力和未使用晶种的条件下被合成出来。遗憾的是,由于许多
14、细节未被给出,只有在这些细节被补充之后本文才能发表。否则会使金刚石合成领域的人们感到非常吃惊。第一,对金刚石的产率应有一个估计。文中没有提到是否有作为主要副产物的石墨状的碳。第二,需进行密度测试并报道其数据,以用来判断是否无定形碳和金刚石同时存在。第三,必须给出一个更完整的XRD图,据此判断2q 约26处石墨的强峰是否出现。第四,应该给出Ni/Co合金的成分。第五,应该报道没有使用催化剂的实验结果。,Science/Technology Concentrates 稻草变黄金:从CCl4制金刚石,中国科学家已经发明了一种在比常规方法低得多的温度下合成金刚石粉末的技术，李亚栋、钱逸泰、和其在中国科
15、技大学化学系和结构成份分析中心的同事们在Ni-Co催化剂存在的情况下，用钠和CCl4在700反应48小时形成金刚石Science，281，246（1998），这些科学家将其描述为“一个还原热解催化合成”。他们正在寻找基于过渡金属如：Ni,Co,Mn,Fe,Pt其它的催化剂和其它的卤代碳氢化合物，包括六氯乙烷和四溴化碳以提高产率，这些研究者认为这个方法也适用于制备其它的碳化物，例如：SiC和WC。,JULY 13,1998 C&EN 55,Science,Vol 281,Aug.7,1998,p.783Dangerous Mixture,李亚栋、钱逸泰、廖洪维、丁轶等描述了一种用金属钠和CCl4
16、反应合成金刚石的方法。这篇报道的读者们需要注意到钠和CCl4的混合物是极其危险的，在此之后的一段较短时间内，反应物对震动是敏感的，并且容易发生爆炸，这个反应的细节和其它文献可以参考L.Bretherick著的危险化学手册（Butterworths,London,ed.3,1985,p1317）。处理任何氯化碳，氢化物与碱金属的混合物是需要极其小心的。,John C.AngChemical Engineering Department,Case Western Reserve UniversityCleveland,OH 44106-7217,USA,Response Angus指出CCl4 和
17、Na 的混和物是危险的。我们赞同他的忠告。这个信息可以从手册上找到(1)。手册中给出的例子，是在一个敞开的玻璃器皿中让较多的CCl4和Na接触相当长的时间。在我们的报道中(2)，我们进行的是一个高压下的反应，该反应是在一个可以耐400atm的发应釜中进行的。将CCl4 和Na放入反应釜中只要几分钟。我们指出“适量的CCl4（5ml）和过量的金属Na(20g)放入容积为50ml的不锈钢反应釜中反应釜保持在70048小时”（2，p.246）.随着反应的进行，产物的分子量迅速增加直到形成碳的聚集物。过量的Na加速碳的形成,这个过程不增加反应釜里的压强。随着反应放热，反应釜温度迅速升高。然而,反应釜（
18、2.5Kg）的热容量可以缓冲这个过程。而且，CCl4产生了一个临界压力，在283为45atm。所以在这个温度范围内，压强不会反常的高。而且碳的聚集物的形成减缓了压力的增加,然后到某一点后反应釜里的压强开始降低。这个过程以后，反应釜里5ml(0.05mol)的CCl4和过量的Na的反应不是非常危险的。当然，处理整个高压过程反应要小心。关于进行CCl4 和Na更大规模的反应是危险的，所以需要更深入的研究。,Yadong Li,Yitai Qian Department of ChemistryUniversity of Science and Technology,一、关于科学和学习科学的几点论述
19、,刚刚过去的20世纪是一个科技大腾飞的世纪，科技从来没有像今天这样广泛而深刻的影响着我们的生活和观念，并且这种影响仍在继续深化。因特网正在使全世界变成“地球村”；基因工程正在引发人类社会迄今为止最严重的伦理挑战；人们甚至已经开始谈论月球移民计划无论是科技决定论者还是怀疑论者，无论是人类前途的乐观主义者还是悲观主义者，在汹涌的世界科技大潮面前，都无法拒绝学习和思考。,爱因斯坦常说：“如果你想知道科学家是如何进行研究的，不要听他们所说的，要看他们所做的。”对于科学研究，大部分人看到的是一个合乎逻辑的过程。在科学论文中，理性沿着一条康庄大道前进，从黑暗走向光明，没有一丁点错误，没有混乱，只有完美的推
20、理。然而，当人们更仔细的查看“科学家所做的”，就会惊讶的发现科学研究其实包括两个方面有个俏皮的作者把它称为“白天的科学”和“夜晚的科学”。,“白天的科学”使用的论证过程像齿轮般紧密啮合，在光亮和荣耀中向前发展。相反，“夜晚的科学”盲目的游荡。“夜晚的科学”像一家制造可能性的作坊，生产出将会成为科学的建筑材料。在这种作坊中，假说仍是不明确的预感和模糊不清的感觉，现象也只是一些互不关联的孤立事件。在一个充满信息的迷宫中，各种思想起伏不定，四处奔走，试图寻找某种出乎意料的密切关系，寻找成为“白天的科学”的契机。引导思想的并不是逻辑，而是本能和直觉，还有那种要把事情弄清楚的激情。,诺贝尔生理学或医学奖
21、得主 弗朗索 瓦雅各布,在我一生接触到的许多人中，有一些人非常善于动手，并对事情的来龙去脉有良好的直觉。我会鼓励你们，鼓励你们的家长和老师努力挖掘和培养你们的这种才能。那些在这方面有才能的人，就具备了在各种实验科学领域大显身手的优越素质。,科学需要的通才的另一个特点是对计算机程序之类事物有足够兴趣。美国所有的大学教授都知道，在大学一年级的学生中，有些人很有设计计算机程序的天赋。他们做事非常快，学得非常快，而且他们编写非常复杂的程序的能力非常惊人。这无意是才能发展的一个新方向。随着计算机在社会中的作用日趋重要，这样的人才在将来比过去十年有更多的大显身手的机会。,有许多年轻人喜欢收集、分类和整理各
22、种各样的东西。我想强调的是，这也是一种才能，不是每个人都能做到的。有人天生就是组织者，如果你是其中的一员，我希望你抓住这个有利条件，因为大量科学知识最终要系统化。因此，你们那些喜欢对事物加以系统化，有一定系统化感觉的人同样应该抓住这一点，因为它会引导你走向非常有益和重要的新的发展方向。,同样，有许多人喜欢解决问题。不是每个人都喜欢解决问题，也不是每个人都具有相同的解决问题的能力。但是，解决问题非常类似于科学研究。我不知道你们是否玩过拼板游戏，仔细思考一下就会发现，解决一个拼板问题很像攻克一个科学难题。,我想向你们强调的另外一点是：培养博览群书的习惯是很有益的。20世纪的科学在各方面都取得了令人
23、惊叹的进步，而且科学正以惊人的速度不断开拓新领域，所以，没有人什么都懂。在这种状况下，你可以有几种不同的选择。你可以说，我要倾全力于某个狭窄的领域，因为想要什么都懂是不可能的，必然是浪费时间。但是，你也可能认为，我要扩大知识面，有广泛的兴趣。我认为后者一般来说更容易成功。,总之，我真正强调的是，科学是包罗万象的事业，需要有各方面的才能。如果你想献身 科学，就要把握住自己最突出 的科学兴趣和天赋，并不断的 加以培养发展。,诺贝尔物理学奖得主杨振宁,二、20世纪化学发展状况,1、新分子和新材料的飞速增长,如在现代无机合成中，愈来愈广泛的应用极端条件下的合成方法和技术实现通常条件下无法进行的合成，可
24、能获得一般条件下无法得到的新化合物、新物相，开拓出新的合成路线与方法。,2、极端条件下合成反应规律与合成技术的研究取得了很大进展。,超高压、超高温、超高真空、超低温、强磁场、强电场、强激光,例1 高压作为一种典型的极端物理条件，能够有效改变物质的原子间距离和原子壳层的状态。如在1673 K，5.5 GPa（即5.5万个大气压）下，由石墨 金刚石;在1173-1723 K，3.5-5.5 Gpa合成出掺杂的，可以发射可见荧光的宝石级翡翠宝石NaAlSi2O6：Eu3+（红）、Dy3+（黄）、Ce3+（紫），用高压方法合成出无限层n型稀土含铜氧化物单相高温超导体Sr0.86Nd0.14CuO2。,
25、高温等离子体下的合成、CVD法,例2 微波有机合成 Diels-Alder反应,常规条件下达到87%的产率需反应72小时微波条件反应10分钟,a.热丝CVD法：该方法利用高温(2000K左右)热丝(钨丝、钽丝)将CH4和H2的混合气体解离和激发，得到含碳活性基团和激发态的H原子。碳在基底上沉积形成金刚石薄膜。许多碳氢化合物如乙醇、丙酮等也都可以利用.,相对较便宜,且容易操作,能以约1-110-1的速率沉积质量比较高的多晶金刚石。缺点：热丝对氧化性和腐蚀性气体极为敏感,这样限制了参与反应的气体种类；又因为热丝是金属材料,不可避免地会污染金刚石薄膜。如果金刚石薄膜仅仅用于机械领域,10-5级的金属
26、不纯物并不是严重问题,但若应用于电子领域,这种不纯是无法接受的。而且,由于是靠热激发,使得等离子体密度不高,这也限制了通过施加偏压以提高生长速率和金刚石薄膜的取向生长。,b.微波等离子体()微波等离子体反应器的沉积环境基本与相似,尽管造价昂贵,但却是目前用于金刚石生长最为广泛的方法。最常用的反应器是型和型反应器。微波反应器较其它类型反应器的优势是能使用种类更为广泛的反应气体,包括高含量的氧,也能使用含氯或氟的气体;由于不含有热丝,使得比更加洁净,因而法成为用作电子应用金刚石膜的首选方法.,“NIRIM Type”Microwave Reactor,“ASTEX Type”Microwave r
27、eactor,c.等离子体炬：在20世纪80年代中后期发明的等离子体炬,与传统的低压、相比也有一些优势。等离子体炬的气体流量非常高(以/为单位而不是和系统的以/为单位)。最常用的等离子体炬是直流电弧喷射,它是用高而又非常稳定的电流来使流经的气体离子化。,优点：是生长金刚石膜的速率最高,达900-1,比和高出3个数量级。缺点：是高能量消耗、高设备损耗,且沉积面积取决于喷射弧的大小(一般为12),基片的冷却也很困难.因为在如此高能量系统中保持均匀一致的温度是很困难的,即使有非常好的冷却。但由于喷射弧的点燃与熄灭所带来的巨大热冲击,使得很多材料不能用作基片,如太脆,易在热冲击时碎裂,所以基片材料通常
28、为金属钼,但即使用钼,当炬熄灭时基片的快速收缩会使得金刚石膜从钼基片上脱落而成为自支撑的金刚石片。如果是强调附着力的涂层,这个问题就十分严重;另一方面,若是要制备自支撑的金刚石片,这种方法却又是十分合适的。,图7 硅上生长的不同织构的金刚石膜的SEM照片,3、分离技术、检测手段发展很快。,T射线,4、随着新的实验事实的不断发展，一些概念也在变化拓展着，例如：,氢的新键型,共价键、离子键、金属键、氢键、氢分子配键、缺电子多中心桥键、H-配键、C-H-M桥键,氢键：X-HY质子给体 O-H，N-H质子受体（带有孤对电子的O、N等）X、Y可以是F、O、N、Cl 或C等电负性高的原子 X-H氢键 芳香
29、氢键 多肽结构 生物体内部 X-HM氢键 X-HH-Y二氢键,X-H氢键 芳香氢键 多肽结构 生物体内部,X-HM氢键,X-HH-Y二氢键,DNA结构,蛋白质的螺旋状结构,20世纪物理学的发展，被李政道称之为”简化归纳”，或称之为”还原论”。认为：物质是由原子组成，原子是由电子与原子核组成，原子核是由中子、质子组成，中子、质子是由基本粒子组成。于是关注于基本粒子的类型、行为与性质。就是这样由大到小的探索。因为人们相信，只有了解了基本粒子，才有可能进一步了解丰富多彩的宇宙万物,现在我们知道一切物质都是由12种基本粒子组成。它们分成夸克和轻子两类。夸克有6种，它们组成了质子(uud)和中子(udd
30、)。轻子也分6种。夸克包括下、上、奇异、粲、底、顶种 轻子则包括电子、电子中微子、子（缪子）、子中微子、子（陶子）和子中微子 物质间的相互作用有三种，即强相互作用、电弱相互作用和引力相互作用.于是复杂的宇宙万物由12种基本粒子通过三大相互作用构成。这是20世纪的“简单归纳”或“还原论”取得的成就。,和平崛起的机遇,和平崛起的机遇，存在于社会生产力飞跃、新的生产力快速发展之时，即存在于产业革命进程中。第一次机遇：欧洲工业革命 农业社会产业社会 蒸汽机发明(1769)第一次世界大战(1911):新的生产力快速发展，世界有足够的原料与市场，直到1911年前后，殖民地瓜分完毕，共有142年和平崛起的机
31、遇期。中国丧失发展机遇：蒸汽机发明之时，世界和中国都处于农业社会，中国处于康乾盛世(乾隆：1735-1796)，中国国内生产总值占全球GDP的25%，乾隆末年达到高峰33%。此后急剧下降，至1950年仅占全球GDP的5%。,日本抓住了机遇：1868年，蒸汽机发明后99年，英国己完成工业化，日本天皇废幕府，改年号为明冶，实施改革发展。这次改革称明治维新。他们确实抓住了机遇。第二次机遇：信息产业革命 工业社会信息社会 晶体管(1947)、集成电路(1959)：微电子产业激光(1960)、石英光纤(1970)：光电子产业。全球经济一体化：资金、信息、技术、人才在全球从范围内快速流动。流向市场大、劳动
32、力素质好、社会稳定的地区。60年代：日本。70年代：亚洲四小龙。80-90年代：中国、南美。,新世纪面临的科技挑战,挑战之一 迄今人类只认识宇宙的5%，占宇宙30%的暗物质、占65%暗能量最近被发现，但对其一无所知，这对人类当代科学提出了严重挑战。,暗能量,2003/12/23的Science，将暗能量的发现评为该年度最重大的科学突破。通过观测发现，宇宙正在膨胀，而且正在加速膨胀。宇宙大爆炸引起宇宙膨胀是可以理解的，但由于万有引力，宇宙的膨胀速度应愈来愈小，可是事实正好相反。于是，得出了宇宙中还有一种不为人知的能量存在，被称为暗能量。,暗能量是促使宇宙加速膨胀的动力。暗能量是1998年提出的，
33、并被一系列的观测结果所证实，特别是近年来绕地球运行的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)及斯隆数字天文台的观测结果。这些结果不仅证实了加速膨胀的结论。而且还解决了关于宇宙年龄、膨胀速度、宇宙组成等的长期争论。天文学家现在相信宇宙年龄是137亿年。,暗物质,200多年前，根据天文观察结果，并通过万有引力估计星系质量，所有星系都表现出应该具有更大的质量。于是就提出了暗物质的假设。星系的直径通常是几千到几万光年。星系之外，很少有物质，偶尔有星或气云。这些星或气云被星系的万有引力所吸引，都围绕星系旋转。旋转产生的离心力与星系与该星的万有引力相等，故有v2=GM/r，这就是说，星距离星系愈远，其转速愈
34、小。,而对NGC3192星系及其他45个星系的测量结果表明，远离星系的星，其转速不是减小，且无一例外的增加，包恬我们的银河系。这些观测结果证明暗物质的存在。并且可以推算暗物质的质量。我们可以通过辐射和引力感知物质的存在，但我们只能通过引力感知暗物质的存在。,根据当前人们的估计，30%的宇宙是暗物质，65%的宇宙是暗能量。通过望远镜观察到的近2000亿个星系，每个星系中又有2000亿个星球，再加上弥漫太空中的氢、氦、中微子等，而这些总加起来，仅占宇宙的5%。我们原来认识的由电子、质子、中子构成的物质世界，仅占宇宙的5%，还有95%的宇宙是未知的，这对人类而言，是多么大的挑战！,宇宙的组成,挑战之
35、二：人类基因组计划的完成，标志着进入揭示生命奥秘的新起点从定量化和“整体统一”的角度去研究生命现象。挑战之三：信息量的爆炸性增长，微电子技术的发展逼近极限。最近英特公司宣告，2019年后，线度将达16纳米，由于量子效应和热耗散，无法用传统方式调控电子，将表明莫尔时代的终结。,挑战之四：纳米(Nano),生物(Bio),信息(Info),认知(Cogni)(NBIC)四大领域汇聚，将引发人类整体能力的飞跃。Converging Technologies for Improving Human Performance Nanotechnology,Biotechnology,Information
36、 Technology and Cognitive Science,随着化学技术的不断发展，化学在这四大领域发挥的作用也越来越大，已经渗透到其中的方方面面。在信息技术方面，化学在计算机芯片的制备过程中起着重要作用。,我们通常所说的“芯片”是指集成电路,它是微电子技术的主要产品。制造芯片的原材料：硅。硅位于元素周期表中第A族，原子序数14，元素符号为Si，它的熔点为1410C，沸点为2355C。地壳含有的各元素中硅的含量高达26%，仅次于氧元素，硅常常以沙子或者石英等形式存在于地表及岩石中。对于芯片制造业和太阳能电池工业来说，都需要极高纯度的硅，而我们能从上述各种矿石（主要成分均为二氧化硅）中提
37、炼出几乎完全纯净的硅。,（一）单晶棒的制备（1）硅的主要来源是石英砂（二氧化硅），硅元素和氧元素通过共价键连接在一起。因此需要将氧元素从二氧化硅中分离出来，换句话说就是要将硅还原出来，采用的方法是将二氧化硅和碳元素（可以用煤、焦炭和木屑等）一起在电弧炉中加热至2100C左右，这时碳就会将硅还原出来。化学反应方程式为：SiO2(s)+2C(s)=Si(s)+2CO(g)（吸热）,（2）上一步骤中得到的硅中仍有大约2%的杂质，称为冶金级硅，其纯度与半导体工业要求的相差甚远，因此还需要进一步提纯。方法则是在流化床反应器中混合冶金级硅和氯化氢气体，最后得到沸点仅有31C的三氯硅烷。化学反应方程式为：S
38、i(s)+3HCl(g)=SiHCl3(g)+H2(g)（放热）（3）随后将三氯硅烷和氢气的混合物蒸馏后再和加热到1100C的硅棒一起通过气相沉积反应炉中，从而除去氢气，同时析出固态的硅，击碎后便成为块状多晶硅。这样就可以得到纯度为99.9999999%的硅，换句话说，也就是平均十亿个硅原子中才有一个杂质原子。,（4）进行到目前为止，半导体硅晶体对于芯片制造来说还是太小，因此需要把块状多晶硅放入坩埚内加热到1440C以再次熔化.为了防止硅在高温下被氧化，坩埚会被抽成真空并注入惰性气体氩气。之后用纯度99.7%的钨丝悬挂硅晶种探入熔融硅中，晶体成长时，以220转/分钟的转速及310毫米/分钟的速
39、率缓慢从熔液中拉出，最后得到一根纯度极高的硅晶棒，理论上最大直径可以达到35厘米，最大长度为3米。,切克劳斯法制备硅晶棒,（二）晶圆生产的工艺流程：1圆周磨削将硅晶棒切成特定的长度，打磨硅晶棒的表面使硅晶棒成为指定的直径.,2 切片 使用装有金刚石的外圆型刀片 3 切成斜角(外围制圆)用金刚石工具打磨晶圆的外围，达到产品所需要的直径要求,4.精磨(两面精磨)晶圆的两个表面都用磨粒精磨。这个过程会使用到氧化铝矿泥。5.刻蚀(两面化学抛光)将晶圆放置在一个夹具容器中进行刻蚀，将晶圆表面的微裂纹和在上面过程的操作中造成的表面损伤完全除去。刻蚀所使用的溶液硝酸/醋酸溶液或者是氢氧化钠溶液,6.热处理除
40、去不稳定的原料物质7.抛光（单面镜面抛光）将一个表面覆盖有抛光布的旋转盘压在粘结在金属板上的晶圆上面.，使用研磨剂，用机械化学组合操作将晶圆表面研磨成镜面,8.清洗使用超纯水和化学试剂对晶圆进行物理和化学上的清洗。晶圆制造商一般会通过三步操作来对晶圆进行清洗：首先是SC1溶液（氨水、双氧水和RO/DI水）除去有机不洁物和晶圆表面的粒子，其次用氢氟酸除去天然氧化物和金属杂质，最后用SC2溶液（盐酸和双氧水）出去表面新生成的天然氧化物。9.检测,（三）晶圆处理的工艺流程：（1）掺杂掺入一些物质而使之成为真正的半导体材料，而后在其上刻划代表着各种逻辑功能的晶体管电路。（2）氧化将每一个晶圆放入高温炉
41、中加热，通过控制加温时间而使得切片表面生成一层二氧化硅膜。（3）涂层在二氧化硅层上覆盖一个感光层,（4）光刻蚀和掺杂光刻蚀过程就是使用一定波长的光在感光层中刻出相应的刻痕，由此改变该处材料的化学特性。这项技术对于所用光的波长要求极为严格，需要使用短波长的紫外线和大曲率的透镜。当这些刻蚀工作全部完成之后，晶圆被翻转过来。短波长光线透过石英模板上镂空的刻痕照射到晶圆的感光层上，然后撤掉光线和模板。通过化学方法除去暴露在外边的感光层物质，而二氧化硅马上在镂空位置的下方生成。,在残留的感光层物质被去除之后，剩下的就是充满的沟壑的二氧化硅层以及暴露出来的在该层下方的硅层。这一步之后，一个二氧化硅层制作完
42、成。然后，加入另一个带有感光层的多晶硅层。感光层同时还要被短波长光线透过掩模刻蚀。再经过一部刻蚀，所需的全部门电路就已经基本成型了。然后，要对暴露在外的硅层通过化学方式进行离子轰击，此处的目的是生成N沟道或P沟道。这个掺杂过程创建了全部的晶体管及彼此间的电路连接，每个晶体管都有输入端和输出端，两端之间被称作端口。,（5）重复这一过程从这一步起，持续添加层级，加入一个二氧化硅层，然后光刻一次。重复这些步骤，然后就出现了一个多层立体架构，这就是目前使用的芯片的萌芽状态了。（6）检测、封装接下来的几个星期就需要对晶圆进行一关接一关的测试，包括检测晶圆的电学特性，看是否有逻辑错误，如果有，是在哪一层出
43、现的等等。而后，晶圆上每一个出现问题的芯片单元将被单独测试来确定该芯片是否需要进行特殊加工。,1964年Intel公司的莫尔(G E Moore)提出，芯片的集成度(芯片上的元件数)每18个月翻一翻，相应的线宽每18个月缩小1.41倍，这在后来被称为莫尔定律.,最近英特公司宣告，2019年后，线度达16纳米，由于量子效应和热耗散，微电子技术逼近极限，这表明莫尔时代的终结。下一代技术是什么？分子电子学!,三、现代科技发展的两种形式突破（深化）和融合,宏观微观 宏观反应动力学微观动力学 突破 静态动态 平衡态非平衡态 个别相互联系、渗透 C60 碳纳米管 表面技术、表面催化、溶液反应 融合多学科渗
44、透、融合来解决各种问题,例如：解决环境问题,人文社会科学 生物学 地理学 环境科学 大气科学 生命科学 化学 化学 生物学 物理学,四、人文社会科学研究的是一个 多变量的复杂体系。,有时常会听到这样一种讲法，只要采用科学方法去处理，我们能解决所有问题。事实上并不存在单一的科学方法。因为这取决于我们研究的对象和控制变量的能力。不同学科其变量的多少差异很大。,最简单的是数学，其次是物理。例如为了研究气体的体积如何随压力变化，在实验室内，我们可以控制温度、物质的量和种类不变，这样可以获得PV=nRT的关系。这是对自然界的一种模拟，固定其它量如V、气体的量和种类n，则可得到P与T的关系。,化学是从分子
45、层次上研究物质的组成、结构与性能关系的学科，研究的体系不仅受温度、压力、催化剂、光、电场、磁场、重力场的影响，还与分子内部结构、分子间的相互作用、分子的堆积方式、分子平动、振动、转动状态等等因素有关，比物理学科的变量多。在地球科学、生命科学中，变量则更多，人们对现象的解释和预测能力受到更大的限制。尽管如此，在实验室内还是能通过控制若干变量逐步逼近来模拟自然界的状况进行探索、研究。,对人文社会科学，变量更多，有些变量我们是无法控制的。如一个经济学家希望判断增加利率对失业率将会产生什么样的影响，他将会发现这是相当困难的。因为政府的消费水准、事业发展速度、军方的需求、进入市场的高中、大学毕业生人数、
46、国际环境等等有许多是难以控制的。所以在社会实验中不能像自然科学那样在实验室的实验中较自由的控制变量。,作为建立在学科和教育学、心理学基础上的学科教学论，其发展状况也是不同的。在国际上数学、物理学科教学论比化学学科教学论研究得更为深入。这一方面可能与学科性质有关；另一方面也可能与化学学科教学论投入的研究力量不足或没有找到更适合化学学科教学论的新的研究方法有密切关系。,化学课程与教学论发展的机遇,社会进入知识经济时代，基础教育改革正在进一步深化，新的课程标准的颁发，提供了一个更大的研究空间，其中包括教育观念的更新、教育策略的探讨、教育资源的开发、教育手段的更新等等。,研究性学习已在许多地方展开。如
47、何提高中学生的科学素养、对师范类的人文社科学生又怎样提高他们的科学素养，也成为大家关心的问题。中国进入了WTO，全球经济一体化了，又如何提高学生应用外语的能力，大城市双语教育的开展已成为人们关注的热点，上述诸多研究领域为我们提供了一个很好的机遇。,与自然科学相比，我们研究的对象是人，是一个个有着思维能力，受着自身身体结构和来自不同家庭、学校、社会影响的活生生的具有不同个性的人。而评价体系中评价指标的设计直接与设计人或实践者的价值观有密切关系。所以我们从局部地区、小的样本获得的对教育现象的认识及其规律的探讨有很大的局限性。只有扩大样本，坚持多年的教育实践、探索才能获得较为客观的对规律的认识。,最
48、典型的例子是VOSTS测量法。加拿大科学家、教育家Aikenhead和Ryan等人根据5步（确定一个有关STS的论题、确定论题并归纳选项、根据反馈意见进行修改完善、通过口语报告再一次进行修订、大样本测试），花了6年时间，被试学生约5000多人，经多次修订才成现在这样的114条VOSTS观念测试，可用于STS观念测试。,化学课程与教学论主要研究的是化学学科教与学的规律。如果没有较宽较扎实的学科知识和化学学科的思维方法，要获得对教与学规律的深刻认识和对创新能力的培养是会受到限制的。,加强学科、心理学以及脑科学知识的学习,心理学、生理心理学、脑科学发展很快。作为21世纪的未解之谜之一的“人脑之谜”，随着现代化手段的发展，人类对大脑的研究正在逐步深入，所取得的阶段性成就应该可以被用来指导我们的教育研究。,大脑皮层的运动投射区域图,PET scan and disorders,PET scan and visual stimulation,Celebral blood flow during speech,A（during speech)B,加强学生执着精神的培养,谢 谢！,
