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江雷院士:材料科学的自然辩证法之二元协同材料

发布时间:2016年06月02日 点击数: 字体:






感谢江雷老师和刘明杰老师对本文的指导和建议!

 

老子有言:天下万物生于有,有生于无。有无相生,难易相成,长短相形,高下相盈,音声相和,前后相随,恒也。也就是说,一切事物,相反的两种属性同时也是相互融合、相互统一的。从这里,我们又可以想到:矛盾无处不在,矛盾无时不有,矛盾双方既是对立,又有统一。

 

最近,江雷院士发表了一篇经典perspective文章,对材料科学中的自然辩证法和二元协同材料进行了深入的阐述和总结,相信听过江老师报告的读者,对此应该不会陌生了吧!


图1. 哲学家老子、班固和恩格斯及其核心思想

图2. 自然界中不同尺度上可能存在的二元协同现象。依次为原子、离子晶体、细胞膜、DNA、骨骼、蛋白石、地球及宇宙。

 

二元协同材料,一般来说是指通过调控两种结构单元之间的距离与本征物理尺度常数匹配,达到临界距离产生协同效应,呈现优异物理、化学性能的一类新材料。二元协同材料不同于传统的单一体相材料,是在材料的宏观表面或体相内建造二元协同纳米界面结构。该材料设计原理是,在介观尺度引入不同甚至完全相反理化性质的纳米微区,在某种条件下具有协同的相互作用,以致在宏观上呈现出超常规物性的材料。这一新原理的关键是找出这两种组分间的协同距离,该协同距离应该与物理或化学中的某一特征常数相关。这一设计原理可以拓展到材料科学的多个领域,用于指导制备各种新型功能材料。       

        根据自然界和人类历史的发展,恩格斯的自然辩证法可以归纳为以下三条法则:(1)量变到质变;(2)对立与统一;(3)否定之否定。 

通过对近代材料科学发展过程中的重要成果的总结,江雷院士提出第四条法则:协同距离原理。
        基于向自然学**和对立物性的二元协同理念,江雷院士于2000年提出二元协同纳米界面材料的新概念并应用于超浸润材料体系。目前,超浸润二元协同材料体系已经成为引领国际纳米材料发展的前沿方向之一。这种二元体系可以进一步扩展,比如:亲水和亲油、氧化性和还原性、导热和绝热、铁磁性和抗铁磁性、p型和n型、正膨胀和负膨胀、高介电常数和低介电常数、强热电性和弱热电性、离子和空**、电子受体和电子供体等等。

总之,自然界广泛存在的二元协同互补现象和大量的研究成果足以证明,这种全新的设计思路将创造一个完全不一样的功能材料的世界。


图3. 二元协同材料在分子级材料设计中的范例。从上至下依次为碱基对、表面活性剂、主客体识别分子、分子筛、两性离子聚合物、共轭分子、生物大分子。

 


 

图4. 二元协同材料在材料科学中的范例。从上至下依次为巨磁阻效应、高效太阳能电池给体/受体异质结、高效离子导体、高性能热电材料、量子阱器件、STM、超双亲表面、超双疏表面、高效催化剂、高强复合材料、光子晶体、气凝胶。
 


 

图5. 二元协同材料的设计原理和组装原理。a)自然界中的基本二元物性; b)零维、一维、二维、三维纳米结构单元及功能复合纳米材料

 

 

参考文献:

Liu Mingjie and Jiang Lei. Dialecticsof nature in materials science: binary cooperative complementary materials.

DOI: 10.1007/s40843-016-5051-6

http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s40843-016-5051-6

 

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