第一章聚合物结构与性能

1、1800200019002YEAR10486STRENGTH/DENSITY(IN.X106)BroneWoodStoneCastIronCompositesSteelAramidFibersCarbonFibers燧石，一种容易制成工具的石头 300,000 BC 3,500 BC新石器时代陶绘新石器时代陶绘钻木取火钻木取火蟠龙方壶蟠龙方壶3,000 BC 十六世纪素身铜爵素身铜爵越王勾践宝剑越王勾践宝剑青铜：铜和锡的合金青铜：铜和锡的合金1600AD-20世纪世纪 图为矗立在伯明翰市中心、纪念詹姆斯瓦特（右）等发明蒸汽机的铜雕像蒸汽机伦敦塔桥 20世纪世纪德国化学家拜耳柏林柏林 20世纪下

2、世纪下芯片高温超导体 冯诺伊曼 21世纪世纪 据专家估计本世纪据专家估计本世纪20年代年代人类将迎接下一个经济时代，即人类将迎接下一个经济时代，即生物技术经济产业时代生物技术经济产业时代的到来的到来此八大领域均与材料的重要性有关2121世纪的生命科学将向最基本的、最复杂的微观和宏世纪的生命科学将向最基本的、最复杂的微观和宏观两极发展：观两极发展：u一方面分子生物学和量子生物学将广泛地向其分支一方面分子生物学和量子生物学将广泛地向其分支 学科领域渗透学科领域渗透u一方面生态学又向研究具有复杂功能的生态系统乃一方面生态学又向研究具有复杂功能的生态系统乃 至生物圈方向发展。至生物圈方向发展。最后，必

3、将把微观与宏观整体地联系起来，即把分子、细最后，必将把微观与宏观整体地联系起来，即把分子、细胞、个体、群体、群落等生命不同结构层次作为一个有机胞、个体、群体、群落等生命不同结构层次作为一个有机系统进行深入研究。因此，分子生物学、细胞生物学、脑系统进行深入研究。因此，分子生物学、细胞生物学、脑科学和生态学仍然是人们关注的焦点。科学和生态学仍然是人们关注的焦点。1.1 1.1 生命科学将成为生命科学将成为 自然科学的带头学科自然科学的带头学科 DNA分子是双螺旋结构，其螺旋的骨架是由核苷酸的糖（脱氧核糖）和磷酸相结合而成的，从彼此反向的两根螺旋分别伸长开来的碱基相互结合而形成双螺旋 1.1.11.

4、1.1分子生物学将在生命科学中保持主流地位分子生物学将在生命科学中保持主流地位2020世纪末，人类基因组全部测试工作基本完成预示着新世纪世纪末，人类基因组全部测试工作基本完成预示着新世纪生命科学必将酝酿着一系列新的宏大突破。生命科学必将酝酿着一系列新的宏大突破。基因组学基因组学这个计划与曼哈顿原子弹计划、阿波罗登这个计划与曼哈顿原子弹计划、阿波罗登月计划并称月计划并称20世纪人类三大科学计划。世纪人类三大科学计划。 蛋白质组学蛋白质组学:以基因组全序列为基础，从整个基因组及其全套蛋白质产物的结构以基因组全序列为基础，从整个基因组及其全套蛋白质产物的结构- -功能出发去了解生命活动的全貌。功能出

5、发去了解生命活动的全貌。 20012001年以来，国际人类年以来，国际人类蛋白质组组织蛋白质组组织(HUPO)(HUPO)正正式成立式成立 人类基因组计划的成功实施，为了真正破译、读懂遗传信息，各国科人类基因组计划的成功实施，为了真正破译、读懂遗传信息，各国科学家随即将生命科学的战略重点转到以阐明人类基因组整体功能为目学家随即将生命科学的战略重点转到以阐明人类基因组整体功能为目标的功能基因组学上。这样蛋白质自然成为新的研究焦点。以研究一标的功能基因组学上。这样蛋白质自然成为新的研究焦点。以研究一种细胞、组织或完整生物体所拥有的全套蛋白质为特征的蛋白质组学种细胞、组织或完整生物体所拥有的全套蛋白

6、质为特征的蛋白质组学自然就成为功能基因组学中的自然就成为功能基因组学中的“中流砥柱中流砥柱”，构成了功能基因组学研，构成了功能基因组学研究的战略制高点。究的战略制高点。 1.1.2细胞生物学还作为生命科学的基础科学继续发展细胞生物学还作为生命科学的基础科学继续发展动物细胞结构植物细胞结构细胞是生命的基本单位，细胞的特殊性决定了个体的特殊性，因此，细胞是生命的基本单位，细胞的特殊性决定了个体的特殊性，因此，对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病的关键。对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病的关键。现代细胞生物学从显现代细胞生物学从显微水平，超微水平和微水平，超微水平和分子

7、水平等不同层次分子水平等不同层次研究细胞的结构、功研究细胞的结构、功能及生命活动。在我能及生命活动。在我国基础学科发展规划国基础学科发展规划中，细胞生物学与分中，细胞生物学与分子生物学，神经生物子生物学，神经生物学和生态学并列为生学和生态学并列为生命科学的四大基础学命科学的四大基础学科。科。 1.1.3脑科学将代表生命科学发展的一个高峰脑科学将代表生命科学发展的一个高峰关于大脑功能的研究，已经成为现代科学最深奥的课题，也关于大脑功能的研究，已经成为现代科学最深奥的课题，也是最难攻克的科学堡垒。为了探索人脑奥秘，攻克各种疾病，是最难攻克的科学堡垒。为了探索人脑奥秘，攻克各种疾病，开发人工智能技术

8、，欧美等国家纷纷制定了脑科学研究的长开发人工智能技术，欧美等国家纷纷制定了脑科学研究的长远计划，并宣布远计划，并宣布2121世纪是世纪是“脑科学时代脑科学时代”。 1.21.2生物技术生物技术2121世纪科学技术的核心是生命科学。世纪科学技术的核心是生命科学。以以基因克隆和重组技术基因克隆和重组技术日趋成熟日趋成熟, , 在农业、工业、医药和疾病防治景，在农业、工业、医药和疾病防治景，对人类的生活将产生重大影响对人类的生活将产生重大影响 基因技术对人类的贡献程度取决于对基因组基因技术对人类的贡献程度取决于对基因组的研究进展。耗资数十亿美元的人类基因组的研究进展。耗资数十亿美元的人类基因组计划在

9、计划在20032003年已经提前完成，为揭示人类的年已经提前完成，为揭示人类的生长、衰老、疾病、死亡的秘密打下坚实的生长、衰老、疾病、死亡的秘密打下坚实的基础。基础。 用用 转转 变变 基基 因因 技技 术术 繁繁 殖殖 的的 一一 头头 牛牛 人工合成牛胰岛素人工合成牛胰岛素杂交水稻杂交水稻转基因鲤鱼转基因鲤鱼 生物芯片生物芯片技术是通过缩微技术，根据分子间特异性地相互作用生物芯片技术是通过缩微技术，根据分子间特异性地相互作用的原理，将生命科学领域中不连续的分析过程集成于硅芯片或的原理，将生命科学领域中不连续的分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白玻璃芯

10、片表面的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、基因及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。质、基因及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。生物芯片技术生物芯片技术广泛应用于科研、医疗、农业、食品、环境保广泛应用于科研、医疗、农业、食品、环境保护、司法鉴定等领域。成为与晶体管芯片一样重要的产业。护、司法鉴定等领域。成为与晶体管芯片一样重要的产业。 史前人类史前人类金字塔的特殊结构秘密及金字塔的特殊结构秘密及UFO UFO 地球上的生命起源的奥秘地球上的生命起源的奥秘原始地球上积聚的前生物有机原始地球上积聚的前生物有机分子（类蛋白质、类核酸、类脂、糖类等有机物质）是如何分子（类蛋白质

11、、类核酸、类脂、糖类等有机物质）是如何进化成生命的呢？进化成生命的呢？ 其他物种的遗传基因密码子使用频率其他物种的遗传基因密码子使用频率 遗传基因与微观环境对遗传基因与微观环境对DNADNA基因结构的影响基因结构的影响 氨基酸和遗传密码子碱基结构之间化学进化的耗散过程氨基酸和遗传密码子碱基结构之间化学进化的耗散过程 四碱基内聚能密度类型对遗传密码子分布的调控机理四碱基内聚能密度类型对遗传密码子分布的调控机理 染色体结构与染色体结构与“怪数怪数”之说之说尚需我们努力的方向：尚需我们努力的方向：20212223 20212223 24=46个染色体=23对染色体 有关金字塔的许多参数具有特殊意义有

12、关金字塔的许多参数具有特殊意义: 金字塔高金字塔高10亿亿=地球到太阳距离地球到太阳距离=1.5亿公里。亿公里。塔的周长正好塔的周长正好365.24365.24埃及米埃及米=1=1年的天数。年的天数。塔的自重塔的自重10101515= =地球重量。地球重量。金字塔锥角正好是自然塌落现象的稳定角金字塔锥角正好是自然塌落现象的稳定角5151 5050 4949 ，四边边长误差不到，四边边长误差不到2020厘米，它的辅角和西北角的高度相差仅厘米，它的辅角和西北角的高度相差仅1.271.27厘米，东西轴和南北轴线的方位误差厘米，东西轴和南北轴线的方位误差不超过不超过5 5弧秒，是最稳定锥角结构，这样的

13、高精度建筑连现代建筑科学与工程技弧秒，是最稳定锥角结构，这样的高精度建筑连现代建筑科学与工程技术也难以达到，不可思议。术也难以达到，不可思议。一座金字塔大约由一座金字塔大约由260260万块巨石组成，每块巨石平均重约万块巨石组成，每块巨石平均重约5 51212吨，其中最吨，其中最重的达重的达16001600吨，连现代工程技术也难作到。吨，连现代工程技术也难作到。金字塔处金字塔处于地球北伟于地球北伟3030 的陆地重力中心，把的陆地重力中心，把陆陆地平分地平分为为两半，地球两极两半，地球两极轴轴心的位置心的位置每每一天都有一定的一天都有一定的变变化，但在经化，但在经2582725827年周期后，

14、轴心位置又回到原来年周期后，轴心位置又回到原来的位置，而有意思的是金字塔对角线之和也正符的位置，而有意思的是金字塔对角线之和也正符25827.625827.6这个数字。这个数字。塔内有一种力量，可使金属不生锈，一枚锈迹斑斑的金属变得金光灿烂，塔内有一种力量，可使金属不生锈，一枚锈迹斑斑的金属变得金光灿烂，牛奶保鲜，水果保质，病人康复，头痛，牙痛者进金字塔内过一小时左右就不痛牛奶保鲜，水果保质，病人康复，头痛，牙痛者进金字塔内过一小时左右就不痛了。一些菜籽进金字塔就能发芽，且苗长了。一些菜籽进金字塔就能发芽，且苗长4 4倍，叶绿素多倍，叶绿素多4 4倍。看起来金字塔是一倍。看起来金字塔是一个非常

15、好的微波振谐腔体，形成各种生命的能量。现在用类似金字塔结构的建筑个非常好的微波振谐腔体，形成各种生命的能量。现在用类似金字塔结构的建筑，或随便用纸、木板、铁质造的模型也有类似上述，或随便用纸、木板、铁质造的模型也有类似上述“金字塔效应金字塔效应”；作者也发现；作者也发现用纸做的金字塔盖在脸上睡觉，睡得很香，并进入一些怪梦中。用纸做的金字塔盖在脸上睡觉，睡得很香，并进入一些怪梦中。底面积金字塔高2通信卫星通信卫星信息信息人脑的延续人脑的延续2.2.信息技术信息技术 莱布尼茨发明的二进制在计算机以及莱布尼茨发明的二进制在计算机以及信息理论中的运用，使得信息技术将继续信息理论中的运用，使得信息技术将

16、继续在所有方面深刻地影响世界在所有方面深刻地影响世界 这些基础材料及其产品支撑着通信、计算机、这些基础材料及其产品支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等现代信息产业的发展。信息家电与网络技术等现代信息产业的发展。 电子信息材料 是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用的材料，主要包括：全球定位系统技术全球定位系统技术俄罗斯俄罗斯Glonass(格洛纳斯全球导航系统格洛纳斯全球导航系统)信息技术信息技术全方位的发展正在改变着人们几千年全方位的发展正在改变着人们几千年来形成的信息传递方式、人际间的沟通方式和来形成的信息传递方式、人际间的沟通方式和社会管理的组织方式，并深刻地影响着社

17、会生社会管理的组织方式，并深刻地影响着社会生活、企业和政府运作的方式。活、企业和政府运作的方式。 欧洲定位系统欧洲定位系统光子计算机、生物计算机、光子计算机、生物计算机、量子计算机都在加速研究量子计算机都在加速研究量子计算量子计算以色列已经研制出一种由以色列已经研制出一种由DNADNA分分子和酶分子构成的微型子和酶分子构成的微型“生物计生物计算机算机”，一万亿个这样的计算机，一万亿个这样的计算机仅一滴水那样大。仅一滴水那样大。大规模神经集成电路进行检大规模神经集成电路进行检测测, ,第六代电子计算机的心脏第六代电子计算机的心脏 经过特殊培养后制成的生物芯片，可经过特殊培养后制成的生物芯片，可作

18、为一种新型高速计算机的集成电路作为一种新型高速计算机的集成电路我国最小遥感卫星我国最小遥感卫星遥感技术遥感技术家电信息技术家电信息技术尚需我们努力的方向：尚需我们努力的方向：目前计算机一切信息信号就是由八种信息密码的排序来实目前计算机一切信息信号就是由八种信息密码的排序来实现的。但是这种计算机智能与人类脑力仍有很大差距。为现的。但是这种计算机智能与人类脑力仍有很大差距。为了使电子计算机的功能进一步提高，以色列最近发明的了使电子计算机的功能进一步提高，以色列最近发明的DNA计算机，正在向实用方向发展。计算机，正在向实用方向发展。3.3.新材料继续成为人类文明的基石新材料继续成为人类文明的基石材料

19、应用的发展是人类发展的里程碑。人类所有材料应用的发展是人类发展的里程碑。人类所有的文明进程都是一他们使用的材料来分类的。石的文明进程都是一他们使用的材料来分类的。石器时代、铜器时代、铁器时代等。器时代、铜器时代、铁器时代等。u纳米材料纳米材料u电子信息材料电子信息材料u先进陶瓷材料先进陶瓷材料u复合材料复合材料u生物材料生物材料u高分子材料高分子材料神州神州6号有望用上号有望用上“纳米铁纸纳米铁纸”比纸还比纸还薄薄3.1 纳米材料纳米材料具有特殊的具有特殊的量子效应、界面量子效应、界面效应、表面效应等等，使材料表现出物效应、表面效应等等，使材料表现出物理和化学上的奇异现象理和化学上的奇异现象

20、，将会带来很多，将会带来很多的工业应用的工业应用当前的研究热点和技术前沿包括：当前的研究热点和技术前沿包括：以碳纳米管为代表的纳米组装以碳纳米管为代表的纳米组装材料；纳米陶瓷和纳米复合材料等高性能纳米结构材料；纳米涂材料；纳米陶瓷和纳米复合材料等高性能纳米结构材料；纳米涂层材料的设计与合成；单电子晶体管、纳米激光器和纳米开关等层材料的设计与合成；单电子晶体管、纳米激光器和纳米开关等纳米电子器件的研制、纳米电子器件的研制、C60C60超高密度信息存贮材料等。超高密度信息存贮材料等。 光子晶体与光子晶体光纤光子晶体与光子晶体光纤有机显示材料有机显示材料光导纤维光导纤维3.2 3.2 电子信息材料电

21、子信息材料的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。 当前的研究热点和技术前沿：当前的研究热点和技术前沿：包括柔性晶体管、光子晶体、包括柔性晶体管、光子晶体、SiCSiC、GaNGaN、ZnSeZnSe等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料、有机显示材料以及各种纳米电子材料等。体材料、有机显示材料以及各种纳米电子材料等。 3.3 先进陶瓷材料先进陶瓷材料高性能低温烧结陶瓷陶瓷电容器高性能低温烧结陶瓷陶瓷电容器压电陶瓷换能晶片压

22、电陶瓷换能晶片当前的研究热点：当前的研究热点：包括陶瓷材料的强韧化技术、纳米陶瓷材包括陶瓷材料的强韧化技术、纳米陶瓷材料的制备合成技术、先进结构陶瓷材料体系的设计以及电子料的制备合成技术、先进结构陶瓷材料体系的设计以及电子陶瓷材料的高匀、超细技术。陶瓷材料的高匀、超细技术。透明陶瓷镜头透明陶瓷镜头 纳米陶瓷纳米陶瓷未来复合材料的研究方向未来复合材料的研究方向: :主要集中在纳米复合材料、主要集中在纳米复合材料、仿生复合材料和多功能、智能复合材料等领域。仿生复合材料和多功能、智能复合材料等领域。 超塑铝合金制造的超塑铝合金制造的汽车外形汽车外形用无压渗透法制备用无压渗透法制备的铝基复合材料的铝基

23、复合材料3.4 复合材料复合材料全复合材料机体全复合材料机体无人直升机无人直升机3.5 3.5 生物材料：生物材料：材料科学技术中的一个正在发展的新领材料科学技术中的一个正在发展的新领域，不仅技术含量和经济价值高域，不仅技术含量和经济价值高 人工骨人工骨 我国第一项纳米医药产品我国第一项纳米医药产品纳米人工骨颗粒纳米人工骨颗粒人工皮肤人工皮肤 人造心脏人造心脏 塑料塑料橡胶橡胶纤维纤维表面材料表面材料（涂料）（涂料）注：此部分将在以后进行详细讲解注：此部分将在以后进行详细讲解3.6.1 功能高分子材料功能高分子材料 近年来一些功能高分子材料的出现，如光敏高分子、导电近年来一些功能高分子材料的出

24、现，如光敏高分子、导电性高分子、医用高分子、高分子膜等，将加速合成材料工业的性高分子、医用高分子、高分子膜等，将加速合成材料工业的发展，对国民经济起一定的推动作用。发展，对国民经济起一定的推动作用。聚合物锂电池聚合物锂电池超级吸水聚合物超级吸水聚合物 聚合物光纤聚合物光纤 脂质水凝胶脂质水凝胶 超强度超强度( (每平方厘米每平方厘米20002000公斤以上公斤以上););超微比重超微比重( (每立方厘米每立方厘米0.0010.001克以下）；克以下）；多功能；多功能；无污染（可自毁）；无污染（可自毁）；可再生可再生。 在新的世纪我们对材料提出了在新的世纪我们对材料提出了前所未有的高要求：前所未

25、有的高要求：生物材料功能化生物材料功能化干细胞干细胞应用于组织工程应用于组织工程4.4.能源科学能源科学能源是人类社会存在和发展的基石，使经济发展和文明进能源是人类社会存在和发展的基石，使经济发展和文明进步的基本约束条件步的基本约束条件化石燃料高效与清洁利用技术广泛应用，节能技术和化石燃料高效与清洁利用技术广泛应用，节能技术和能源高效利用技术越来越受到广泛重视能源高效利用技术越来越受到广泛重视煤直接液化高效催化剂煤直接液化高效催化剂硅太阳能电磁硅太阳能电磁加大利用各种可再生能源加大利用各种可再生能源高空发电机高空发电机“捕捉风能捕捉风能”风车发电风车发电生物能生物能开发新能源技术方面有所突破开

26、发新能源技术方面有所突破通用公司的氢动力车通用公司的氢动力车Hy-wireHy-wire 秦山核电站秦山核电站美国开始研制核能飞船美国开始研制核能飞船 地球地球到火星不到到火星不到6060天天中国新型核潜艇中国新型核潜艇我们尚需努力的方向：我们尚需努力的方向：5. 5. 环境科学环境科学 随着社会的发展和科技的进步，人类越来越觉得环境的重要，从而诞生一门从生态观点出发，将资源的合理利用和环境保护运用到生产和环境建设领域的综合性学科资源环境科学污染的河流污染的河流酸雨酸雨沙漠化沙漠化南极上空的臭氧空洞南极上空的臭氧空洞白色污染白色污染污染的河流污染的河流可降解塑料的降解过程可降解塑料的降解过程保

27、护环境保护环境6.6.海洋技术海洋技术海洋科技事关人类的可持续发展，事关国家安全、世界海洋科技事关人类的可持续发展，事关国家安全、世界政治和经济格局，因此越来越引起各国的重视。政治和经济格局，因此越来越引起各国的重视。海洋监测技术海洋监测技术海床基动力海床基动力要素综合自动检测系统要素综合自动检测系统 BY8-水下金属探测仪在军水下金属探测仪在军事领域被广泛使用，同时事领域被广泛使用，同时也被应用于沉船打捞、渔也被应用于沉船打捞、渔业、水下考古等业、水下考古等 海洋资源的开发，深水作业需要其他相关领域科技的支海洋资源的开发，深水作业需要其他相关领域科技的支持，材料科学的发展，高强超韧材料的研发可以为我国的海持，材料科学的发展，高强超韧材料的研发可以为我国的海洋开发、海洋利用和海洋保护提供先进的技术和手段。洋开发、海洋利用和海洋保护提供先进的技术和手段。海洋资源的开发需要材料学的发展海洋资源的开发需要材料学的发展不久前美国一权威著作预言：不久前美国一权威著作预言：2121世纪国家对航天能力的依世纪国家对航天能力的依赖可与赖可与19201920世纪国家对电力、石油的依