Transforming Matter

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出版者:Johns Hopkins Univ Pr
作者:Levere, Trevor H.
出品人:
页数:232
译者:
出版时间:2001
价格:$ 27.12
装帧:Pap
isbn号码:9780801866104
丛书系列:
图书标签:
  • 科学史
  • 科学人文
  • (English)
  • 材料科学
  • 相变
  • 材料转化
  • 纳米材料
  • 凝聚态物理
  • 材料工程
  • 物理学
  • 化学
  • 结构转变
  • 功能材料
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具体描述

Chemistry explores the way atoms interact, the constitution of the stars, and the human genome. Knowledge of chemistry makes it possible for us to manufacture dyes and antibiotics, metallic alloys, and other materials that contribute to the necessities and luxuries of human life. In Transforming Matter, noted historian Trevor H. Levere emphasizes that understanding the history of these developments helps us to appreciate the achievements of generations of chemists. Levere examines the dynamic rise of chemistry from the study of alchemy in the seventeenth century to the development of organic and inorganic chemistry in the age of government-funded research and corporate giants. In the past two centuries, he points out, the number of known elements has quadrupled. And because of synthesis, chemistry has increasingly become a science that creates much of what it studies. Throughout the book, Levere follows a number of recurring themes: theories about the elements, the need for classification, the status of chemical science, and the relationship between practice and theory. He illustrates these themes by concentrating on some of chemistry's most influential and innovative practitioners. Transforming Matter provides an accessible and clearly written introduction to the history of chemistry, telling the story of how the discipline has developed over the years.

铸就未来的蓝图:现代材料科学与工程的前沿探索 内容提要 本书深入剖析了当代材料科学与工程领域的革命性进展、核心理论框架以及对未来科技发展的深远影响。不同于侧重于单一物质形态或经典物理原理的论述,本书构建了一个宏大而精细的叙事结构,聚焦于“智能”、“可持续”和“极端性能”这三大驱动力如何重塑我们对物质世界的认知与操控能力。 全书分为五大部分,共十七章,层层递进,从微观尺度的量子效应,到宏观尺度的结构设计与应用落地,为读者提供了一幅全面而前瞻性的材料科学路线图。 --- 第一部分:基础的重塑——从原子到结构的功能涌现(The Foundation Remolded: Functional Emergence from Atom to Structure) 本部分着重于现代材料设计理念的转变,强调“功能导向”而非“成分决定”。 第一章:超越晶格的限制:非晶态与准晶态材料的新范式 本章首先回顾了经典晶体结构理论的局限性,随后重点探讨了高熵合金(HEAs)和金属玻璃(Bulk Metallic Glasses, BMGs)的微观结构特征。我们详细分析了高熵合金中“迷 আকারের”和“局部短程有序”如何赋予其卓越的力学性能和耐腐蚀性。对于金属玻璃,本章深入研究了其无长程有序结构在提高弹性极限和抗疲劳性方面的优势,并讨论了如何通过精确控制冷却速率和成分梯度来稳定其亚稳态结构,以实现结构件的轻量化和高可靠性。 第二章:电子态的调控与拓扑材料 本章聚焦于量子力学在材料设计中的直接应用。我们详细阐述了费米能级的精确调控在半导体和导电聚合物中的关键作用。一个核心章节被用于探讨拓扑绝缘体和拓扑半金属。通过引入布洛赫能带结构和拓扑不变量的概念,我们解释了这些材料表面电子态的独特性质——即使在存在缺陷的情况下,其导电性依然保持稳定,为设计下一代低功耗电子器件提供了理论基石。 第三章:界面与纳米尺度的力量 材料的性能往往在界面处被决定。本章深入剖析了二维材料(如石墨烯、过渡金属硫化物)的层间范德华相互作用及其对宏观导电、热传导特性的影响。我们探讨了如何通过原子层沉积(ALD)技术精确控制异质结界面的化学势和应力状态,以实现对光电响应的精细调控,这对于开发超灵敏传感器至关重要。 --- 第二部分:智能材料——环境响应与自适应系统(Intelligent Matter: Environmental Responsiveness and Adaptive Systems) 本部分是全书中最具前瞻性的部分之一,关注材料如何从被动结构转变为主动的、能够感知和响应环境变化的系统。 第四章:应力与形变的记忆:形状记忆合金与可逆变形材料 详细分析了镍钛合金等形状记忆合金(SMAs)的热弹性马氏体相变机制。本章不仅关注其宏观的“记忆效应”,更深入研究了应变诱发相变(TRIP)的动力学过程,以及如何通过微织构化来优化其双向恢复率和疲劳寿命。此外,还讨论了新型聚合物基形状记忆材料在生物医学植入体中的潜力。 第五章:从光到电,从热到光:多功能耦合材料 本章剖析了具有强耦合效应的智能材料。内容涵盖了压电、热释电和磁致伸缩材料。重点在于如何通过优化晶体缺陷和畴壁运动,提升其能量转换效率。例如,在压电陶瓷中,我们探讨了“极化畸变”与“弹性应变”之间的交叉耦合,这直接影响着能量采集装置的性能。 第六章:自修复与自适应结构 探讨了材料生命周期的延长策略。针对聚合物和复合材料,本章介绍了基于微胶囊破裂释放修复剂和动态共价键(如Diels-Alder反应)的本征自修复机制。同时,对于结构完整性,我们考察了材料如何通过改变其粘度或硬度来响应外部载荷的增加,实现结构的“主动适应”。 --- 第三部分:极端环境下的性能极限(Performance at the Edge: Materials in Extreme Environments) 本部分聚焦于在极端温度、高压、强辐射和腐蚀环境下,传统材料失效的根本原因及新型解决方案。 第七章:超高温材料与热障涂层(TBCs) 在航空航天和能源领域,材料必须承受持续的高热流。本章详细分析了陶瓷基复合材料(CMCs)的优势,特别是碳化硅纤维增强碳化硅基体(SiC/SiC)材料在抗氧化和抗热震方面的突破。深入研究了钙钛矿和氧化钇稳定氧化锆(YSZ)在热障涂层中的应用,重点在于如何设计界面层以缓解热应力失配导致的剥落问题。 第八章:辐射损伤与核用材料 本章探讨了在强中子或离子束轰击下,材料内部产生的空位、间隙原子团簇如何演化为宏观的“辐射肿胀”和“脆化”。讨论了新型低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)的设计原则,以及通过纳米沉淀相来钉扎位错和抑制氦气聚集的策略。 第九章:深海与强酸环境下的腐蚀与防护 腐蚀是材料的“隐形杀手”。本章侧重于电化学腐蚀的机理,特别是应力腐蚀开裂(SCC)和点蚀的引发条件。针对深海高压、高盐环境,分析了新型镍基超合金在抑制局部腐蚀方面的微观机制,并对比了阴极保护与缓蚀剂的长期有效性。 --- 第四部分:可持续性与循环经济中的材料革命(Revolutionizing Sustainability and the Circular Economy) 本部分将材料科学与全球环境挑战相结合,探讨如何通过材料创新实现绿色发展。 第十章:能源存储的材料瓶颈与突破 重点分析了锂离子电池(LIBs)的固态电解质替代方案,特别是硫化物和氧化物基固态电解质的离子传导机制与界面稳定性问题。此外,还探讨了钠离子、镁离子电池以及下一代金属空气电池所需的关键电极材料设计,着重于提高其循环稳定性和能量密度。 第十一章:催化剂:从表面到体积的效率提升 高效的化学转化依赖于精确的催化剂设计。本章深入研究了单原子催化剂(SACs)的制备技术及其活性位点的电子结构。讨论了光催化剂(如TiO2改性材料)如何利用太阳能驱动污染物降解或水分解制氢,重点分析了载体效应和光生载流子的分离效率。 第十二章:生物基与可降解聚合物 探讨了如何设计能够在完成使命后,通过精确控制的化学或酶促途径分解的材料。分析了聚乳酸(PLA)和聚羟基脂肪酸酯(PHAs)的合成、加工性及其力学性能与降解速率之间的权衡关系。同时,也关注了如何利用生物矿化过程来制造高性能的仿生复合材料。 --- 第五部分:制造的未来——增材制造与计算材料学(The Future of Fabrication: Additive Manufacturing and Computational Materials) 最后一部分关注材料的获取与验证方式的变革,即如何将理论设计快速转化为实际可用的产品。 第十三章:增材制造中的材料行为 重点分析了选择性激光熔化(SLM)和电子束熔化(EBM)等增材制造技术中,粉末熔化、快速凝固过程的物理冶金学。特别关注了在快速冷却速率下形成的非平衡态微观结构,如细小柱状晶和微裂纹的控制,这些是决定增材制造部件宏观性能的关键因素。 第十四章:高通量计算与数据驱动的设计 本书强调了计算方法在加速材料发现中的核心地位。详细介绍了密度泛函理论(DFT)在预测新材料电子结构和反应能垒中的应用。随后,介绍了机器学习(ML)和人工智能(AI)如何通过分析庞大的材料数据库,预测特定成分组合下的性能参数,从而指导实验合成方向,实现“逆向设计”。 第十五章:原位表征技术与实时监测 精确理解材料在工作状态下的动态变化至关重要。本章介绍了同步辐射X射线衍射、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)在应力加载、高温氧化过程中的应用,实现了对相变、位错运动的实时捕捉,为材料本构模型的建立提供了第一手数据。 第十六章:跨尺度建模与多物理场耦合 材料的性能是跨尺度的涌现现象。本章论述了如何将原子尺度的分子动力学模拟(MD)结果,通过多尺度建模方法(如晶体塑性有限元分析,CPFE),集成到结构件的宏观有限元分析(FEA)中,实现从纳米结构到工程部件性能的准确预测。 第十七章:面向未来的材料系统集成 本章总结了前述所有领域的交叉融合,展望了下一代集成系统,例如,具有内在传感和执行能力的“活体式”结构、自适应变曲率的航空蒙皮,以及基于量子点的柔性显示技术,描绘了材料科学对人类社会未来十年的驱动力。 --- 目标读者 本书适合材料科学、化学工程、机械工程、物理学及相关领域的本科高年级学生、研究生,以及致力于新材料研发与应用的前沿工程师和科研人员。它旨在提供一个深入、系统且聚焦于前沿技术突破的知识体系。

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