化学科学起源于对化学现象的整理和对比，化学(χημεια, chemeia)一词最早出自希腊作者苏达斯编著的词典，意为制取金和银的技艺，希腊人相信可以凭技艺制取金和银，并将其称为“化学”。化学的发展经历了从宏观到微观，从描述到推理，从定性到定量，从静态到动 态，从分化到综合，从古老的炼金术到19世纪的化合价理论，再到20世纪的周期律及原子结 构的现代化学演变过程。现代化学主要在分子、原子层面，研究物质的组成、性质、结构以及变化规律。

本文提出了“凝聚态化学(Condensed Matter Chemistry)”的概念,提出其研究对象是由传统化学上被视为反应主体的原子、离子以及分子等“基本粒子”,藉“稳定的粘连关系”凝聚形成的具有特定组成、多层次结构与性质、功能的物质凝聚态。本文以固态为例,讨论了(1)凝聚态的多层次结构;(2)凝聚态的化学性质与化学反应;(3)凝聚态构筑化学中的前沿科学问题;(4)凝聚态化学中的高新表征方法与技术的发展与开拓。并对四个领域中的主要科学问题进行了比较深入的探讨,为进一步再认识传统化学,特别是对其中心问题,即化学反应的再认识提供了方向与基础,为开展“凝聚态的多层次结构-化学性质与化学反应-凝聚态物质的构筑定向合成与精准制备”三个方面的关系研究,总结规律与“分态”建立“凝聚态结构理论”与“凝聚态化学反应理论”,建设“凝聚态化学”提供了科学体系与内容,并为进一步开展“凝聚态工程学”研究提供了前提与基础。

“凝聚态化学”是化学学科一个新的发展领域,其基本思想是超越分子和理想晶体的界限,多层次地研究物质的组成、结构、性质、制备以及它们之间的关系。本文简要回顾了从固体物理到凝聚态物理的历史以及固体化学的发展历史,分析了固体化学的学科特点,指出固体化学的发展必然孕育着“凝聚态化学”的形成,同时指出,化学学科中的多个领域也都会将“凝聚态化学”作为自己的发展方向。建议了从固体化学向“凝聚态化学”发展的途径:完善固体化学学科的知识体系,拓展固体化学的知识范围,创造“凝聚态化学”的标志性成果。最后强调,与凝聚态物理学家密切合作,共建“凝聚态科学”大厦。

所谓凝聚态,一般意义上是指液态和固态,而凝聚态化学,即是在固相和液相中的各种化学过程。在无机材料,特别是无机纳米与多孔材料的合成制备中,凝聚态化学过程贯穿其中,几乎无处不在。在固相材料合成过程中,通过液相中的各种化学反应以获得目标固体材料的所需组分和物相,也许就是无机材料合成中一个最基本的凝聚态化学问题;而多孔如微孔或介孔材料合成中,更涉及伴随组分和物相形成过程中的孔结构形成与调控;进一步,在制备面向实际应用如催化剂和药物载体时,则在以上的各项要求之外,还必须考虑材料的表面活性位、缺陷等关键因素,以及颗粒尺寸、分散性和形貌等几何和物理特性。本文以无机氧化物为对象,讨论了无机材料在凝聚态化学合成过程中的几个侧面,包括纳米颗粒和粉体的化学合成方法,多孔材料的合成和多孔复相结构的合成调控,以及多级孔结构沸石的合成制备与催化性能,以期能加深对材料合成中凝聚态化学过程的认识,并期待以凝聚态化学为指导,进一步推动无机材料特别是纳米多孔材料合成的发展。

通过研磨、剪切、拉伸等方式获得的机械力能促进化学反应,为合成化学开辟了新方向。机械研磨技术作为绿色无溶剂合成方法,应用前景广泛。本文综述了机械研磨技术应用于固态、黏稠状混合物等凝聚态下的有机合成反应,展望了机械研磨技术在有机反应中的发展前景。与传统液相反应相比,其不需要溶剂,具有反应效率高、反应时间短、选择性好、后处理简单、适用于溶解性差的底物等优点。通过机械研磨技术进行的凝聚态有机反应,在某些情况下,会经历与液相反应不同的反应途径,从而生成迥异的反应产物。

凝聚态化学是研究凝聚态材料的合成、组分、结构、性能、相互作用及相关化学反应等多个领域的一门学科。近年来对生物矿物这种特殊的天然凝聚态材料不断深入的探索,极大扩展了凝聚态化学原有的研究视野。这些生物矿物常通过非经典的方式,在温和而复杂的体内甚至体外环境中形成;它们具有长期进化筛选出的跨尺度多级组织结构,充分利用了材料微观形态和不同凝聚态材料间的表、界面相互作用,因此具有非常优异的性能。本文通过分析生物矿物形成和转化过程中涉及的几种特殊机制,阐明真实环境条件下凝聚态材料合成和凝聚态化学反应的一些新特征。同时,还将介绍由生物矿物相关研究推动的凝聚态化学的实际应用。最后,对该领域未来需要解决的问题和重要发展方向做出展望。

不同于研究体相或分子与分子之间的常规化学,凝聚态化学重点关注的是多层次结构的凝聚态物质,主要研究凝聚态物质的化学性质与功能、构筑机制、凝聚态物质之间的反应以及结构与功能间的关系,也是生物矿化研究中特别感兴趣的科学问题。生物矿化是通过有机基质调控无机矿物的生成,构筑具有多层次结构和特殊功能(如保护、传感和运动等)的生物凝聚态物质。研究生物矿化中的化学构筑与结构-功能关系,通过仿生矿化可以设计并制备具有类生物矿物结构和先进功能的仿生凝聚态材料。本文从凝聚态化学的角度介绍生物矿化和仿生矿化领域的概况以及取得的重要成果和新认识,重点综述了本课题组近年来受生物矿化启发,基于无机离子寡聚体的仿生新材料构筑和功能方面的研究成果。相信生物矿化将为新兴凝聚态化学的研究和发展提供良好参考,同时从凝聚态化学的新高度看待和指导生物矿化,也将促进生物矿化研究走向新的台阶。

高分子凝聚态的研究是高分子科学中的重要内容,在高分子凝聚态的形成机制及对宏观物理性能的影响方面已形成了较为系统的理论和应用实践基础,但在高分子凝聚态的化学性质方面虽有较多的研究工作,却鲜有系统性的归纳总结。凝聚态化学概念的提出,有助于科研人员更深入、系统地研究高分子聚集态结构与其化学性质之间的关系及相关规律。本文以高分子凝聚态为讨论对象,对高分子凝聚态化学性质的一些代表性研究工作进行了归纳和整理,内容包括:(1)高分子结构化学对高分子凝聚态的影响;(2)高分子凝聚态结构对进一步化学反应的影响;(3)高层级凝聚态的化学性质及其对化学反应的影响。希望通过对上述研究工作的实例分析和探讨,为科研人员从化学性质变化的角度去理解和开展高分子凝聚态的研究提供一些参考和启示。

生物大分子的凝聚态及其动态变化过程涉及许多重要的生理及病理过程,如凝血现象与阿尔茨海默病。对上述生物凝聚态过程进行研究,发展对这些凝聚态过程的调控方法,进而发展相应的疾病诊断治疗新策略,具有非常重大的意义。纳米技术基于原子或分子组装可构建出新型的纳米功能器件或具有新颖生物效应的纳米材料,为解决生物医学领域的重大问题提供了强有力的研究手段。利用一系列的纳米材料可以发展对生物凝聚态的调控新方法,通过控制肿瘤血管凝血和制备纳米抗凝剂等实现对于凝血过程的调控,通过识别、结合、调控淀粉样蛋白及其聚集状态,实现阿尔茨海默病的诊断与治疗。对于生物凝聚态及其调控进行详细的研究,有望为开发新一代纳米药物提供新思路与新途径。

金属纳米材料表面配体不仅可以稳定金属纳米颗粒,辅助合成特定尺寸和形貌的纳米材料,还可用于调控金属纳米颗粒的表面化学性质。由于现有表征技术的局限性,金属纳米材料表面有机配体的结构和功能一直以来并未被深入研究。得益于分子结构明确金属纳米团簇和其他模型纳米材料体系的发展,配体在金属纳米材料表面的精确配位结构及其对催化过程的促进作用正不断被揭示出来。金属表面有机分子配位不仅可以调控表面金属电子结构,还可以分割表面原子周期性结构。表面有机配体的聚集可以进一步在金属表面构筑3D空间结构,改变纳米材料亲疏水性,并影响催化底物和反应中间体与表面的相互作用强弱和吸附构型。此外,有机配体与表面金属所组成的界面还可以构筑新的活性位点,改变催化反应路径,从而提升催化反应活性和选择性。金属纳米材料表面有机配体的聚集效应使得异相纳米材料可以同时表现出均相催化和酶催化的优势。

根据热力学,固态化学反应一般具有一旦发生就必完全的特征;但在固体之间存在组成可连续变化的溶液(固熔体)时,固态化学反应体系有可能出现化学平衡。固态化学反应还可能导致立体选择性产物、产物颗粒不易长大、最低反应温度等特征。本文特别指出,为了促进固态化学反应快速、有效、安全地发生,可使用少量溶剂而不用担心固态化学反应无平衡特征的丧失,同时获得良好流动性的反应物浆料,并因此能使用适当的搅拌技术来促进反应;其次,任何复杂的固态化学反应都可以分解成若干双组分反应,可以按一定步骤实现复杂化合物的合成或装配。因此,研究固态化学反应可能会产生更加绿色的化学过程,具有非常现实的理论和应用价值。本文以固态配位化学反应为例来说明如上理论推演结果。这里,固态配位化学反应是固体无机金属化合物与固体有机或无机配体之间的化学反应,它们与固态有机化学反应一样,可以在室温~300 ℃的温度下、不存在任何溶剂的情况下发生。

催化技术在现代工业生产和日常生活中发挥着举足轻重的作用,开发高效的催化剂是催化领域重要的研究方向。近些年来,许多研究发现催化剂的缺陷对其催化活性有着重要的影响,同时各种各样的缺陷催化剂也被开发出来。尽管如此,缺陷与催化活性之间的关系仍有待厘清。本文围绕这一主题,分别介绍了固体缺陷化学的基础、催化剂中缺陷的类型、表征、可控构筑以及在催化中的作用和动态变化,最后进行总结和展望。希望通过本文阐明催化剂缺陷化学研究的起源与发展,强调缺陷对催化的重要性,为今后高效催化剂的进一步开发与机理研究提供指导。

本文介绍了高压条件对凝聚态物质电子结构和晶体结构的影响,其中包括高压对元素外层电子结构、能带结构和晶体缺陷的影响,高压导致的原子配位数的增加、元素非正常氧化态、结构相变和态变。同时从十个方面介绍了高压条件下凝聚态物质间的化学反应,最后对高压条件下凝聚态化学未来的发展做了展望。

化学变化的本质是化学键的形成与断裂。凝聚态化学的主要特征是分子内的物理与化学过程与周围环境之间的动态相互作用和动力学耦合,不仅会影响化学键形成与断裂的化学反应平衡与反应速率,还会改变化学反应的走向。动力学振动光谱技术是探测凝聚态体相中与表面上各种微观分子细节最为有力的当代谱学表征技术之一。与脉冲核磁技术类似,科学家们使用一组精心设计的激光脉冲在凝聚态体系中激发复杂的光学响应,所产生的信号中包含了比传统吸收光谱丰富得多的反应机理、分子与溶液结构、分子运动、电荷与能量传递等微观信息。近年来,各种动力学振动光谱被运用于凝聚态化学的各个领域,尤其是在溶液态和表界面态领域,获得了一系列突破性进展,并且处于不断发展的过程之中。在本文中,我们将回顾及展望动力学振动光谱技术的基本概念、实验方法和理论框架,以及它们在凝聚态及表面态化学中的重要应用。

原子或分子的堆积方式和元素分布是凝聚态物质的核心问题,而局域结构的精确测定则为揭示原子堆积方式和元素分布提供了重要手段。获得与化学成键直接关联的局域结构信息,是人们认识化学反应,理解功能材料设计结构本质的重要依据。基于全散射技术的原子对分布函数方法(PDF),通过考虑原子对间距的空间分布规律,为具有不同结晶状态和团聚方式的凝聚态体系提供了全尺度的结构信息。本文从介绍全散射和原子对分布函数方法的理论基础出发,根据凝聚态物质的聚集形态差异和结构化学特点,列举了近年来在研究凝聚态物质的原子对分布函数过程中,结合原位温度场、反向蒙特卡洛等方法获得的物质局域结构信息和短程到长程的结构演变。通过分析局域结构与长程结构的对比差异,从局域尺度的视角为研究凝聚态物质的化学反应、功能物性优化和外场响应提供了新的思路。

在生物体内到处都是由蛋白质、核酸和多糖等生物大分子构成的各种不同生物凝聚态物质,这些生物凝聚态物质形成不同的高级结构,执行不同的生物功能。获取这些生物凝聚态物质的高分辨结构是理解生命过程的重要途径。在离体环境中,获取高分辨结构的手段主要有X-射线晶体衍射、冷冻电镜和核磁共振等,而在活细胞内原位研究生物凝聚体的结构,核磁共振和化学交联质谱具有独特优势。本文总结了利用多种分析手段对生物凝聚态物质进行多层次结构表征的研究进展:包括简单纯化体系下的蛋白质分子机器,蛋白质纤维等;液-液相分离,大分子拥挤、限域等模拟细胞复杂环境下的生物大分子以及活细胞内生物大分子。