功能材料論文范文

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第1篇

構成物質的原子包含原子核及核外電子，而物質的化學性質由核外電子的結構及電子-離子、電子-電子之間的相互作用決定。因此，研究電子的行為對材料研究具有重要意義。量子力學原理為描述電子的行為提供了理論依據。量子力學的模擬方法是通過求解薛定諤方程來實現的，該方法對單電子體系(如氫原子)行之有效，但對于復雜的多電子體系就無能為力了，原因在于無法求解復雜體系的薛定諤方程。但是，通過一些近似處理便可以得到薛定諤方程解。這些方法習慣上稱為第一性原理。最為著名的近似方法有Hartree-Fock近似、密度泛函理論(DensityFunctionalTheory，DFT)和量子蒙特卡羅方法(QuantumMonteCarlo)。其中，應用最為廣泛的是由Hohenberg，Hohn和Sham于20世紀60年代提出的DFT方法。DFT方法的優點在于通過電子密度分布來表示系統能量，將多電子問題轉化為單電子問題，從而簡化了求解過程。經過不斷完善，DFT方法已成為計算固體物性的首選方法。此外，基于DFT原理，研究人員還發展了第一性原理分子動力學理論及含時密度泛函，拓展了第一性原理的應用范圍，使其在材料、醫學、生物等方面的研究中起到舉足輕重的作用。

2材料原子結構建立過程

在已知晶體結構信息條件下，在MS中可采用多種方法建立原子的構型。晶體結構的信息可以通過晶體結構數據庫軟件查詢，對于一些復雜的晶體結構，可通過日本國立材料研究中心數據庫(NIMS)等查詢。

MS中構建晶體結構一般需要用到的信息有：晶格常數，晶體結構所屬空間群或空間群號，晶胞中的原子占位。納米二氧化鈦作為一種新型多功能材料，性質非常優良，應用十分廣泛，目前國內外的許多研究選用其作為研究對象。它主要包括金紅石型、銳鈦礦型和版鈦型三個晶型。其中銳鈦礦型納米二氧化鈦在常溫下是穩定的，主要應用在環保及新材料方面，工業應用前沿廣闊。筆者以銳鈦礦型TiO2能帶計算過程為例，介紹其建立過程。銳鈦礦型TiO2為四方晶系，空間群為I41/AMD。每個銳鈦礦型TiO2原胞由2個鈦原子和4個氧原子組成，初始原胞1×1×1為長方體，如圖1a所示。首先選取銳鈦礦TiO2晶體2×2×2超級原胞，然后通過計算得到體系的最小化電子能量和原子結構的穩定構型，從而對其進行結構優化。經分析，優化后計算得到的TiO2晶體的晶格參數a，b和c與文獻報道實驗測試值及其他理論計算值相似(見表1)。為了考查TiO2表面原子與吸附氧之間的反應過程，在完成塊體優化后，我們切出了TiO2的三個主要的低指數面(100)，(001)和(101)(如圖1所示)。其中(101)面為銳鈦礦型TiO2的最穩定晶面，亦為銳鈦礦TiO2中最主要的晶面，約占94%以上[11-13]，對該表面的研究具有重要意義。(101)面的性能，在一定程度上可反映出銳鈦礦TiO2體相材料的性能。因此，我們主要考慮的銳鈦礦TiO2表面模型為(101)面。

對于(101)表層，分別將具有5配位和6配位的兩種鈦原子表示為Ti5C和Ti6C，具有面氧和橋氧兩種氧原子表示為O2C(brightoxygen)和O3C(planeoxygen)(如圖1所示)。為了避免交換關聯影響，選擇真空層厚度為10Å。通過MS軟件進行計算。基于DFT理論，采用超軟贗勢描述價電子的相互作用，采用廣義梯度近似(GGA)修正交換關聯能，對構建的(101)面進行結構松弛優化。在動能截止能量為340eV及K點值為6×6×1的條件下，進行贗勢和電荷密度的自洽迭代循環。計算過程中的能量收斂精度為2×10-5eV，作用在每個原子上的力小于等于0.01eV/nm，內應力小于等于0.1GPa。

除了構建原子模型之外，我們還得到了直觀能帶結構圖(如圖2所示)。在教學過程中，運用MS軟件，計算過程只需要2～5分鐘，學生即可得到能帶結構圖。橫坐標為在模型對稱性計算中設定的K點，K點就是倒格空間中的幾何點。按照對稱性，取縱坐標為能量。因此，能帶結構圖表示在研究體系中，各個具有對稱性位置的點的能量。各個點能量的加和就是整個體系的總能量。采用MS得到的能帶結構圖，簡單易懂、清晰明了，可清楚地看到價帶、導帶及帶隙等具置、形狀及長度等。在Castep里，通過給scissors賦值，可增加價帶和導帶之間的空間，使絕緣體的價帶和導帶清楚地區分出來。有助于學生更深層次地了解能帶結構信息，為更深入的研究提供基礎和引導。

3結束語

第2篇

纖維素復合材料有很多種，按照組成成分區分，可分為纖維素/合成高分子復合材料、纖維素/導電聚合物復合材料等；按照功能區分，可分為力學材料、光學材料、電學材料。現簡要介紹有特點的功能性纖維素復合材料。

1.1具有光電活性的纖維素復合材料通過相關學者的研究發現，如果將氫氧化鈉/尿素水溶液作為溶劑制備纖維素或染料復合膜，那么，這種材料會顯示出較強的發光性能或熒光性能。其中，復合膜還有較強的透明性，透光率能夠達到90%.試驗發現，復合膜的力學性能很高，拉伸強度能夠達到138MPa。如果將天然纖維素浸泡在發光溶劑中進行離心干燥，經過一段時間后，能夠得到光致發光紙。這種材料不僅展現了發光劑的吸附能力，還提供了復合紙的發光性能。因此，這些纖維素發光材料可以用于發光二極管和包裝等領域。

1.2纖維素/碳納米管復合材料從纖維素先進功能材料的研究、分析中發現，碳納米管具有非常優秀的力學性能和電性能，受到人們的高度重視，并被廣泛應用于電子器件中。隨著科技的不斷發展，這種材料在生物傳感和復合材料中占有重要位置。

2化學法制備纖維素功能材料

因為天然纖維素很難溶解，所以，不適用于工業生產中。它作為一種天然高分子，在性能上也有一定的不足，例如，這種纖維素耐化學腐蝕性很差、強度較低、穩定性不高。所以，相關人員可以通過化學方法改善天然纖維素的缺陷，強化其溶解性和強度，并賦予它新的性能，不斷拓展纖維素的應用領域。因為纖維素分子鏈上有很多羥基，所以，可以利用這種方法制備出各種各樣的纖維素衍生物。近幾年，纖維素衍生物材料被廣泛應用于日用化工、涂料和食品等領域。其中，纖維素的制備方法主要有均相法和非均相法。因為纖維素很難溶解，所以，在工業生產中，都是利用非均相法制備纖維素衍生物。但是，在這個過程中，纖維素衍生物存在結構不統一和不可控的缺點，同時，還會產生大量的副產物，所以，纖維素衍生物的種類較少。相關人員嘗試利用纖維素在不同溶液中的反應生產纖維素衍生物。

2.1纖維素酯纖維素酯是纖維素與強酸或羧酸衍生物，通過酯化反應得到的一種纖維素衍生物。這種衍生物的種類較多，并有較高的附加值，能夠在生物、材料、食品中廣泛應用。利用這種方式，相關人員可以合成一些具有新功能性的纖維素酯。相關人員通過酯化反應將卟啉分子連接在纖維素上，得到了光電轉換材料，卟啉分子還給予了纖維素材料全新的抗菌性能。所以，通過酯化反應，能夠在乙基纖維素上連接三苯基胺，然后得到溶致變色的纖維素衍生物，并顯現出藍-綠熒光。這種衍生物在溶液中的量子效率為65%，所以，它還被應用在光電器件領域。

2.2纖維素醚從傳統意義上講，纖維素醚類的種類很多，并有很多性能。這種物質被廣泛應用于石油開采中，還有食品、紡織和日用化學品等方面，所以，相關人員可以引進新的基因功能，以得到新型的功能性纖維素醚。一些學者合成了纖維素咔唑醚，它能夠用于存儲信息，并在OLED的空穴中傳輸材料；還有一些學者利用醚化反應，在纖維素上連接聯苯液晶分子，從而得到對紫外光吸收能力較強的纖維素材料。近年來，相關人員發現了一些新型、高效的纖維素溶劑，為纖維素的再生產提供了新介質。在纖維素溶液中進行衍生化反應，能夠得到結構統一、可調控的功能性纖維素衍生物，例如纖維素酯、纖維素醚等。這些分子或衍生物的反應快速、高效、容易分離，為相關行業的研究奠定了良好的基礎。

3結束語

第3篇

傳統生態浮床存在的不足包括：①植物根系懸浮在水體中無法從底泥中獲取足夠的微量元素而影響其生長效果；或懸浮的根系容易被水體中草食類動物吞噬；②低溫下植物枯萎后整個生態浮床系統無任何凈化效果，更有甚者會產生二次污染［2］；③僅有植物根系少量的生物膜和植物同化作用以致浮床凈化效果相對低下。為此國內外進行諸多探索，并取得良好的效果。（1）強化浮床系統內的微生物。為了提高傳統生態浮床的凈化效果，業內人士進行了大量的探索。孫連鵬等［3］將固定化反硝化細胞應用到生態浮床的脫氮過程，使生態浮床系統脫氮效果大大提高；李淼等［4］將離子束輻照定向誘變技術應用于生態浮床除磷脫氮過程中，并取得了良好的效果；李先寧等［5］將濾食性動物和人工合成生物載體加入生態浮床系統中，利用濾食性動物的濾食能力提高水體的可生化性和人工材質生物載體富集微生物達到聯合修復富營養化水體，取得了良好的效果。（2）強化水體的復氧過程。水體復氧過程是水體自凈發生的主要成因之一。操家順等［6］構建生物膜和浮床植物復合技術浮床，并設置了一定間距以形成大氣復氧區，強化了待修復水體的復氧過程，從而提高了水體的修復效果。章永泰等［7］利用風力發電技術強化浮床系統水下曝氣和水下照明，強化了水下生態系統的氧化能力和浮游植物的光合作用，從而提高水體修復效果。基于生態浮床實用性和成本低廉性原則以及各種強化手段中的共性部件（生物膜載體），業內人士均認為：人工合成生物載體加入生態浮床系統（組合式生態浮床）中是最可行、最低廉、最廣泛的技術，故而被廣泛研究和采用。

2組合式生態浮床和凈化效果

將生物載體引入到傳統生態浮床中而組建組合式生態浮床，通過提高浮床系統中微生物量和生態浮床的輻射“場強”使其凈化效果得到了極大的提升［8，9］。其作用原理是：通過在不同材質生物載體上富集極其復雜的、大量的生物膜系統，提高組合式生態浮床系統內的生物量、生物種類以及系統的“生物場強”［10］，提高組合式生態浮床的凈化效果。而且生物載體的應用可以避免冬季低溫條件下因植物枯萎而出現無凈化效果的情況，因為低溫條件下生物載體上的微生物雖生物凈化效果差，但是仍然會有一定凈化效果。

2．1傳統的組合式生態浮床存在的弊端生物載體是組合式生態浮床系統的重要組成部分，最原始的形式就是將人工合成生物載體懸掛在生態浮床的底部，僅僅就是為了提高生態浮床的生物持有量和凈化效果以及生物場強，并取得了良好的效果。但是這種生態浮床系統，植物根系和生物載體相互獨立，并無耦合效應，植物和生物載體之間并沒有很好的配合。另外也有將生物載體作為生物膜附著體和植物根系基質，植物根系和生物載體相互作用、相互依賴，生物載體為根系提供保護和承受部分污染負荷，而根系為生物載體上的微生物提供氧氣。而生物載體和植物根系自身的凈化效果仍然在發揮優勢，而且耦合了兩者的優勢。

2．2新型組合式生態浮床的凈化效果和現狀本課題組經過大量的實驗研究認為，將生物載體不懸掛于浮床底部而是作為植物生長基質，即實現生物載體和植物根系“親密接觸”而形成濕地型新型組合式生態浮床，其凈化效果和管理維護會更好些。而且業內人士對生物載體作為浮床基質時的效果也進行一定的探索研究。

2．2．1無機型生物載體在生態浮床中的應用徐麗花等［11］研究了沸石、沸石－石灰石、石灰石3種生物載體系統的水質凈化能力，結果表明：沸石、沸石－石灰石和石灰石系統的TN平均去除率分別為68％、78．3％、60．9％。沸石－石灰石系統的去除率最高，這是由于沸石和石灰石發生了協同作用，沸石吸附NH＋4－N，石灰石促進了硝化作用，使得系統對TN的去除效果好于其生物載體單獨使用時的效果。熊聚兵等［12］利用泥炭、石英砂等為植物生物載體強化脫氮過程，研究發現泥炭可提供碳源有利于脫氮，該系統中的NH＋4－N、NO－3－N、NO－2－N和TN的去除率分別為98．05％、98．83％、95．60％、92．41％，而石英砂提供過濾補充脫氮，兩者結合的去除效果明顯高于任一者的單獨去除效果。無機生物載體在組合式生態浮床中具有較好的處理效果，但因其密度較大，在實際景觀水體修復中需要浮體較多，增加處理成本，降低其推廣效能。

2．2．2人工合成生物載體在生態浮床中的應用人工合成生物載體因其穩定性強、堅固耐用、能夠有效抵擋水流沖擊，在組合式生態浮床生物載體中被廣泛應用。虞中杰等［13］通過構建美人蕉竹制框架下加掛球形生物載體的方式，該系統對TP、NH＋4－N、NO－3－N和CODMn的去除率分別達到74．3％、76．6％、63．6％和67．5％。這得益于人工合成的球形生物載體表面易于附著微生物，有利于強化水體中污染物的降解。張雁秋等［14］以傳統生態浮床為對比照組，以空心塑料生物載體作為基質和生物載體組建的組合式生態浮床系統為實驗組。初始進水的TN、NH＋4－N、NO－3－N是17、6、11mg／L時，該組合式生態浮床的最終TN、NH＋4－N、NO－3－N的質量濃度分別為（1．05±0．20）、（0．38±0．18）、（0．17±0．03）mg／L，而傳統生態浮床的最終TN、NH＋4－N、NO－3－N的質量濃度分別為（5．23±1．12）、（0．29±0．11）、（4．19±2．08）mg／L，顯示出良好的脫氮效果，并使硝態氮濃度保持較低濃度。

2．2．3天然纖維素物質生物載體在生態浮床中的應用玉米秸、稻草、油菜秸、麥秸等農作物秸稈和竹絲、樹皮等植物莖稈類的廢棄物均可以作為生物載體原料。而且用植物纖維素物質作生物載體的較其他人合成的生物載體更容易降解，使用一定時間會自行分解，比人工稱合成的生物載體容易形成載體污泥更利于保護環境［15］。本課題組對植物纖維素物質進行預處理后作為組合式生態浮床的生物載體，既能合理利用秸稈資源，拓寬秸稈的利用價值，又能有效修復水體和生態環境，取得良好的效果。施亮亮等［16］構建以稻草為生物載體和植物生長基質，以美人蕉和菖蒲為植物的復合組合式生態浮床為實驗組，以人工合成填料為基質的組合式生態浮床為對照組。添加稻草為生物載體的組合式生態浮床在去除污染物方面明顯優于以人工合成填料為基質的組合式生態浮床。筆者在研究中發現以竹絲為生物載體的組合式生態浮床，CODMn、TN、NH＋4－N和NO－3－N的平均去除率分別為63．50％、63．86％、47．80％和64．75％明顯優于無生物載體組合式生態浮床的49．56％、31．29％、28．24％和43．90％，鏡檢發現竹絲表面具有較豐富的生物相，大量活性良好的群居鐘蟲、草履蟲、累枝蟲和鞭毛蟲等，活性、數量均占優勢的指示性原生動物，處理過程竹絲穩定降解，釋放無機鹽類和小分子有機物為微生物生長提供必需的營養成分。樓菊青等［17］發現以毛竹為原料的生物載體在膜速度、掛膜量上有較明顯的優勢。以上文獻研究均顯示了天然纖維素物質在組合式生態浮床生物載體制造領域的潛在價值，為浮床生物載體基于天然纖維素物質資源化利用的多元化發展打下堅實的基礎［18］。采用天然纖維素物質不僅作為親水性很強的生物載體，還可以作為反硝化碳源，本課題組已經通過紅外光譜分析方法掌握以下信息：①可生物降解材料表面具有較豐富的親水性基團（－OH（主要在纖維素、多糖物質中）、－CH2（主要在脂肪類物質中）、－NH2（主要為蛋白質）），可形成更為復雜的生物膜體系，更容易吸附微生物，更利于生物增殖、生物種群的多樣性；②可生物降解材料使用過程中，被吸附其表面的微生物分解，形成一些可被微生物作為營養的物質，而強化微生物的生長，如果生物載體是固體碳源，釋放出來的碳源有利于提高水體的脫氮效果。

3生物載體在生態浮床應用中急需解決的科學難題

3．1作為浮床基質的生物載體與植物根系交互作用機理研究作為浮床基質的生物載體與植物根系是一種相互耦合的關系，互為對方提供生長繁殖所需要的養分，在一定程度上促進提高了生態浮床系統的凈化效果、凈化進程和生物多樣性。目前本課題組已經發現以可生物降解的稻草作為生態浮床系統中植物生長的基質時，其中水生植物（美人蕉和菖蒲）葉子呈碧綠色，而以人工合成生物載體（塑料球）為植物基質或無任何基質時，2種浮床中水生植物葉子呈淺黃色。分析認為稻草、塑料球均作為生物載體和植物基質，生長速率緩慢的硝化菌更容易附著在親水性良好的稻草上，塑料球因其親水性差、生物親和性欠缺而使硝化菌增殖緩慢，稻草上大量的硝化菌就能將相對不容易被植物吸收的氨氮轉化為更容易被植物吸收的硝態氮，充分的氮素使稻草基質生態浮床中的植物葉子更為翠綠，生長速率更快。即稻草基質為植物根系提供充分的養料（硝酸鹽）；而根系能為稻草表面微生物膜提供來自光合作用的氧氣，并在稻草基質中產生脫氮所需要的好氧、缺氧環境，提高整個生態浮床的脫氮效果。但是根際微生物和生物膜相互作用、相互影響研究并沒有取得很好的成果，值得深入研究。

3．2生物載體表面和植物根系表面微生物種群差異分析由于根系表面和生物載體表面存在非常大的差異，根際微生物種群類別和生物載體表面微生物類別差異、數量差異和特性差異均需要深入研究，目前很多的研究仍然處于定性分析中階段。微生物作為生態修復和污染物去除的主體，不同生理生化特性的微生物承擔著不同生物降解過程，所以掌握不同生物載體和植物根系表面微生物種群存在的差異（生長速率、呼吸類型、降解底物酶系種類、微生物種群數和數量級等），對不同污染物采取不同的不同載體和植物，或不同生物載體組合，或不同植物的多樣化組合，或人工干預提供不同的環境以實現污染物去除，實現通過對微生物相關特性的強化和調控而實現微生物對污染物的降解。

3．3生物載體材質在不同污染源種類的水體修復中的選擇方法生物載體作為生態浮床中重要的生物附著場所，有時也作為浮床植物的基質，其作用較大，但是隨著生物載體的材質和形態等不斷多樣化，生物載體形態主要由從水流速度、使用方便和造景等因素考慮，對水體修復效果不會造成實質上的影響，而生物載體材質的不同對水體修復效果會產生極大的影響。傳統意義上的生物載體是塑料材質，并將懸掛在生物載體框架以下，其作用原理是：在生物載體表面形成生物膜以提高生態浮床系統中微生物量達到強化生態浮床的修復效果，在其表面形成的微生物是復雜的、多樣的、雜亂的叢生，并無特定的靶向污染物，在復合污染較重的現在存在一定的優勢。但是塑料材質生物載體存在親和性和親水性差而導致微生物量少、附著困難［19］。而且對于以氮素為主要污染物且C／N低的地表水修復過程中來說并無太大的價值，因為脫氮過程中涉及硝化和反硝化過程，反硝化過程需要補充有機碳以提高脫氮效果，而塑料材料生物載體并不能提供碳源，投加液體碳源存在計量無法控制和運行管理復雜等問題，如果以人工合成高聚物作為生物載體和碳源雖然可以實現良好的脫氮過程和硝化菌群的富集，但費用過高［20，21］；所以天然纖維素物質是理想的碳源、載體，不僅天然親水性和生物親和性可以實現生物量的最大化和掛膜的最快化，而且生物釋碳按需供給和，其來自極為廣泛（農業廢棄物、林業廢棄物等。對于磷含量相對較高的地表水體修復時，塑料材質或天然纖維素材質的生物載體應用于生態浮床中則效果較差，根據生物除磷均以排泥的方式，地表水體污染物濃度較輕，污泥量少或無污泥，無排泥也就除磷效果很低。現在一些工藝中為了提高除磷效果，采用一些孔隙多樣化吸收磷或含有某些能夠與磷發生化學反應的生物載體以提高除磷效果。

4展望