- A+
凝聚态物理范文第1篇
[关键词]固体物理学；凝聚态物理学；低温凝聚态；超导电性
中图分类号：TU528.042 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）24-0399-02
一、固体物理的成功
20世纪初期，人类在生产实践和科学实验的过程中对固体的物理性质，物理现象和规律有了深人的认识，形成现代物理学的基础。上个世纪早期固体物理学的出现是基于当时在诸多方面已经有了比较成熟的理论。如晶体对称性理论，声波的量子理论，自由电子理论，能带理论，铁磁性理论等。这些理论有着共同的出发点，就是周期场中波的传播，这是固体物理的范式。固体物理早期的研究对象就是晶体，对非晶体（如玻璃）的研究很少。晶体是由原子构成的具有周期结构的固态物质，晶体千变万化的原子排列方式可以归纳为立方，正交，四角，三斜，单斜，六角，三角等7大晶系。在属于每一个晶系的任何晶体中，原子重复排列的方向和3个主轴方向之间的夹角具有相同的规律，而相邻原子的间距各自不同。
晶体作为一个物理系统主要由两个子系统组成，一个是晶格点阵系统， 另一个是自由电子系统。描述晶格运动的理论是晶格动力学，晶格波的运动在量子论中可用声子来代表。描述自由电子行为的理论有能带论。
晶格点阵是由原子（或离子）组成的， 原子的振动因相互关联而形成声波， 具有一定的波长，在量子论中波长的倒数就是声子的频率ω，代表一个声子的能量ε。声子是玻色子，具有确定的能量和动量，很多物理性质与晶体的声子谱有关。长声波对应低频声子，在低温下主要是低频声子对物理性质的贡献。声子的平均频率取决于原子质量和相邻原子之间的结合力。所谓“声子谱”，即：单位频率（代表声子的能量）范围内晶体固有的振动模式数。图1所示是金属铜的声子谱，实际上其他和铜有同样面心立方结构的金属（如镍和把）的声子谱形状都是这样，不同的只是截止频率。镍的截止频率高于铜，对应它的熔点高，硬度大，而把则相反。
金属和合金的自由电子，在具有一定结构的晶格中运动，其能量是量子化的，形成若干能带，能带之间存在能隙，在能隙范围不存在电子的能量状态。（图2）是各种情况电子能带结构的示意图。电子是费米子，每个能量状态只能填充一个电子。如果考虑电子的运动方向，在动量空间，电子从最低能态往高能态填充， 最高能态的电子形成的等能面叫做费米面，如图3。费米面的形状取决于晶体的周期结构。
有了这些理论，晶体的宏观物理性质可以用不同的微观机制加以解释。 如：导电性来源于金属中具有能带中未满的导带自由电子，声子对自由电子的散射引起电阻，若能带被填满，该晶体就不导电，成为绝缘体，见图2；两个电子通过和声子的作用形成超导电子对因而超导；磁性质来源于离子局域电子磁矩之间的交换相互作用，以及自由电子云对磁矩的贡献；比热主要来自于声子和自由电子的贡献。
二、结构决定物理性质
晶体的结构对其物理性质起决定性作用。同样是碳原子组成的晶体，如石墨，金刚石和碳纳米管，有着绝然不同的性质。石墨是层状物，易碎，导电；金刚石是立方密堆积结构，坚硬，不导电；碳纳米管则是有奇特性质的极细小的物体，如同单层石墨卷起来直径约几十纳米的管状物，其导电性质取决于原子排列方向与纳米管方向的夹角（图4）。碳的三种同素异构体的性质之所以差别如此之大，它们的声子谱和电子在能带中填充的情况不同在这里起重要作用。
有的晶体在某温度发生相变后由于结构变化，其物理性质可从导体变为绝缘体，或从顺磁变为铁磁。
三、压力和磁场对物理性质的影响
对一个晶体加压，首先使体积缩小，即原子间距变短，从而电子能带变宽。压力再加大，有可能发生相变，变为另一种结构或另一种物相（如铁磁变成顺磁，或导体变成超导体等。可想而知，压力会改变物理性质，因为压力使电子的能态分布和晶格的声子谱发生变化。原子间距缩短还会改变原子或离子的磁矩大小，以及磁矩之间的交换相互作用，从而改变晶体的磁性质。
四、温度与相变
随着温度的提高，在0℃冰变成水，从固相变为液相；在100℃水变成蒸汽， 从液相变为气相，这就是相变。对于任何物体系统，存在着微观粒子的相互作用与宏观温度的竞争：相互作用使系统趋向有序，而温度决定的热运动使系统趋向无序。在O℃以下，水分子之间的相互作用超过分子的热运动，相对无序的水变成相对有序的冰；在10℃以上，水分子的热运动超过分子之间的相互作用， 相对有序的水变成相对无序的蒸汽。同样分子组成的冰，水和蒸汽的结构显然不同， 因而它们的性质相差很大。相对而言，低温相的有序度增加而对称性降低， 反之高温相的有序度下降而对称性变高。
五、新型非周期结构物质的不断出现
20世纪60年代以来，新物质不断出现：用快速冷却方法人工制出无序结构的非品体合金条带，后来在急冷合金Al一Mn和Ni一V中又发现无严格长程周期结构，但有5重或20重轴对称的准晶体，这在传统的概念中是不可能的，见图5；在合金中由无序排列的磁J隆原子形成的自旋玻璃材料；橡胶，胶水以及生物体中的非刚性结构的软物质材料；高分子材料导电聚合物，见图6；多孔硅等分形材料；低维材料，如单层石墨（二维），金属纳米线（一维）或纳米点（零维）等等。这些物质在现代是人们研究的重要对象，但不存在长程周期结构，因而固体物理的范式――“ 周期场中波的传播”――就失去了前提。需要提出新的范式， 对物体宏观性质的解释要有新的思路。新的范式适用的范围要更宽， 并且与固体物理已有的概念是一致的。
六、凝聚态物理的范式
凝聚态物理的范式不需要有周期结构的前提，对各类结构的物质（包括无序结构，软物质，液体等）都适用，它主要包括以下基本概念：
1）对称破缺―― 某对称元素的消失导致低对称性相（有序相）的出现， 对应发生相变， 有序参量值不为零，而为有限值。铁磁物质在居里温度以下从顺磁态相变为铁磁态，磁矩从无序开始变为有序，宏观磁矩出现。趋于绝对零度时，在磁交换作用下，分子磁矩趋向一致，此时宏观磁矩最大。从相对无序的顺磁相成为相对有序的铁磁相后，系统失去了一些对称元素，称之为对称破缺。这是相变时出现的普遍现象。
2）基态――系统在接近绝对零度时（能量最低）的状态。
按基态的性质分类可有各种情况：按导电性，有导体，半导体，绝缘体，超导体；按磁性质，有顺磁，铁磁，反铁磁，自旋玻璃；按流动性有超流体（如2.17K温度以下的超流液氦）；其他还有铁电体，费米液体，非费米液体等。
3）元激发―― 接近于基态的低能激发，是有一定动量和能量的/准粒子0。如：声子（声波），有一定的能量和动量，是一种准粒子；磁子（自旋波）是代表原子磁矩集体运动的准粒子，其他还有激子（电子一空穴对），旋子（超流液氦中的涡旋），极化子，孤子，相位子等。
4）序参量――反映系统有序程度的某一物理量的平均值.如前面提到的铁磁体的宏观磁矩，序参量在相变温度以上为零，在相变后开始出现有限值，随温度下降而变大，在绝对零度为1。
还有一些其他的基本概念。有了凝聚态物理新的范式，我们可以较方便地描写宏观物理性质的微观机制，而不管固体是否有长程周期结构。
七、极端条件下的凝聚态物理研究
凝聚态物理的内容是研究相互作用多粒子系统组成的凝聚态物质的宏观性质，物理规律及其微观机制和微观过程。上世纪60年代以来，由于新发现或人工制造出不少新的材料，如前面提到的非晶金属，准晶，纳米材料，软物质，有机导体和各类新型超导体等，凝聚态物理的研究陆续出现许多新的方向。所谓极端条件，主要指极低温度，强磁场和超高压。随着温度的降低，微观粒子热运动逐渐减弱，各式各样的相互作用开始显现，同时量子效应愈加明显，因而出现丰富多样的物理现象。此外，压力能改变原子间距，磁场可影响微观粒子的自旋磁矩状态，以便研究者更深人地了解凝聚态物质的本质和内涵。这是最近半个世纪以来凝聚态物理急剧发展的原因。有兴趣较全面了解凝聚态物理学科的发展现状的读者，可参阅冯端和金国钧撰写的5凝聚态物理学（上册）一书。
在极低温度下会出现怎样的奇特现象呢？
早在100年前，荷兰科学家在研究纯净水银的低温电阻时，发现大约4.5K温度下电阻突然消失，很快又发现其他金属也有电阻消失的现象，这就是超导体的发现。大家公认电子通过和声子的相互作用形成超导电子对，是超导电性产生的微观机制。这种相互作用很弱，只有当温度低到相互作用能大于热运动能时， 超导电子对才能稳定存在。这个温度叫做超导相变温度，超导是低温凝聚态物理研究最早发现的奇特现象，100年后的今天， 科学家已制出在常温常压下相变温度大于130K的超导体。
在常温下金属或合金的电阻随着温度的降低而下降， 这是由于声子对电子的散射减弱的缘故。大约80年前，科学家发现金属铜中含有少量磁性杂质时， 有一种近藤效应， 其原因是极低温度下导电电子被磁性杂质的自旋翻转散射而引起。这种散射机制在温度稍高时就不复存在。1975年发现的重电子金属CeAl3 中导电电子的有效质量比金属铜中的电子大3个量级，其原因也是磁性杂质与导电电子的相互作用， 即近藤相互作用所导致。
上世纪70年现的电荷密度波材料，如NbSe3，在某低温发生派尔斯相变后，导电电子凝聚为集体运动状态，即电荷密度波（CDW），当外加直流电压小的情况，CDW对电流没有贡献，好像被钉/扎0住，而电压超过某临界值时， CDW开始集体运动，电阻剧减，在直流电流的基础上同时出现交流分量，且直流电压愈高，出现的交流信号频率愈大。
1986年发现的铜氧化物高温超导体和几年前发现的铁基超导体，使低温凝聚态物理研究在世界范围内掀起两次巨大的热潮，从而凝聚态物理得到突破性的进展。极低温，强磁场和超高压等极端条件下的凝聚态物理研究，将会揭示更多奇特的物理现象和规律， 对于从事凝聚态物理工作的人来说，任重而道远。
参考文献
[1]冯端，金国钧.凝聚态物理学（上下卷）[M].高等教育出版社，2 0 0 3 .
凝聚态物理范文第2篇
[Abstract]The Swiss physicist and inventor Heinrich Rohrer，together with another German physicist and inventor Gerd Binnig，invented the scanning tunnel microscope （STM），which is universally recognized as one of the Top 10 science and technology achievements in the 1980s among the international scientific and technical community. It is their invention that directly led to the rise of the mesoscopic physics and the new horizon for the nanoscience and nanotechnology. Dr. Heinrich Rohrer is very friendly to the Chinese people. After the retirement in 1997，he visited China many times （including the 2011 visit to the Inner Mongolia University of Science & Technology） for lectures and academic exchanges. And his contributions have strengthened not only the academic communications of Swiss and Chinese scientists，but also the friendly ties between the people in the two countries.
[关键词]海因里希・罗雷尔博士；凝聚态物理学；介观物理学；纳米科技；透射电子显微镜（TEM）；扫描电子显微镜（SEM）；场离子显微镜（FIM）；扫描隧道显微镜（STM）；诺贝尔物理学奖
[Key words]Dr. Heinrich Rohrer；condensed matter physics；mesoscopic physics；nanoscience and nanotechnology；transmission electron microscope （TEM）；scanning electron microscope（SEM）；field ion microscope（FIM）；scanning tunneling microscope （STM）；Nobel prize in physics
1罗雷尔先生生平与家庭成员
海因里希・罗雷尔（又译为罗勒，海因里希・
罗雷尔博士
Heinrich Rohrer，1933.06.06―2013.05.16）出生于瑞士德语区圣加伦州（Sankt Gallen）温登堡区（Werdenberg，又名Wahlkreis）布希镇（Buchs）一个富裕的制成品批发商家庭，他是汉斯（Hans Heinrich Rohrer）和卡萨琳娜（Katharina Ganpenbein Rohrer）夫妇4个孩子中的第3个，其孪生姐姐只比他先出生半个小时。1949年全家迁居苏黎世。1961年他与露丝―玛丽（RoseMarie Eggar）小姐结婚，其蜜月在美国度过，婚后育有两女：长女多丽丝（Doris Shannon）和次女爱伦（Ellen Linda）。2013年5月16日罗雷尔因自然衰竭而逝世于瑞士德语区施维茨州（Schwyz）霍夫区（Hfe）伍尔劳镇寓所（Rebbergstrasse 9D CH-8832 Wollerau），享年80岁。
罗雷尔的主要学习经历：1955年获瑞士联邦理工学院（即苏黎世工业大学ETH Zürich）物理学BS，1960年获该大学实验物理学PhD。其博士论文是关于测量超导体在磁场中长度的变化，此项工作始于以测量杨氏模量的不连续性而著称的丹麦物理学家奥尔森（Jrgen Lykke Olsen，1923―2006），其博士导师是瑞士低温工程专家格拉斯曼（Peter Grassmann，1907―1994）教授。
罗雷尔的主要工作经历：大学毕业后曾短期服役于瑞士山地步兵团。1961―1963年在美国新泽西州罗格斯大学（Rutgers University）进行有关II类超导体和金属的导热性的博士后研究；1963―1997年任职于瑞士苏黎世州霍尔根区（Horgen district）鲁希利康（Rüschlikon）的美国IBM公司苏黎世研究实验室ZRL（IBM Zurich Research Laboratory，常简写为IBM ResearchZurich，成立于1956年），1986―1988年任实验室物理学部主任，获诺奖时是该实验室的高级研究员，期间曾于1974―1975年到美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校（UCSB）做访问学者，进行核磁共振NMR（nuclear magnetic resonance）方面的研究。
2凝聚态物理学大师罗雷尔的主要学术成就与贡献凝聚态物理学家罗雷尔原本喜欢古典文学和自然，只是1951年在瑞士联邦理工学院注册时才决定主修物理学。1963年年末他来到IBM公司苏黎世研究实验室工作，其第一个任务是研究近藤系统（Kondo system）在脉冲磁场中的磁阻问题。近藤效应（Kondo effect）是指含有极少量磁性杂质的晶态金属在低温下出现极小电阻的现象，因1964年首先由日本理论物理学家近藤淳（Jun Kondo，1930.02.06―）从理论上阐明了该现象的形成机制而得名。20世纪60年代末从事反磁体研究，在物理研究组组长卡尔・穆勒（1987年诺贝尔物理学奖得主）博士的支持和鼓励下研究临界现象（critical phenomena）。为了进行超导研究，1978年开始与同事、联邦德国（西德）物理学家和发明家宾尼希（又译为比尼格，Gerd Karl Binnig，1947.07.20―）博士合作构想扫描隧道显微镜，首先利用量子隧道效应原理研究物体表面现象的是美国籍挪威裔物理学家、1973年诺贝尔物理学奖得主贾埃弗（Ivar Giaever，1929.04.05―），但他未能解决好稳定性问题。1981年罗雷尔和宾尼希力克这一技术难关：利用压电陶瓷的压电效应设计显微镜的电镜工作台，通过压电陶瓷的细微调节功能实现试样的精确定位和探针的平面扫描，采用超导磁悬浮的办法达到系统隔震的目的。1982年他们终于创制出世界上第一台新型的物体表面分析仪器――扫描隧道显微镜STM（scanning tunneling microscope），开辟了物质结构研究的全新领域。STM主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流，同时物体表面的高低会影响穿隧电流的大小，依此来观测物体表面的三维形貌且又不损伤样品。1983年他们利用STM在硅单晶表面第一次直接观察到周期性排列的硅原子阵列及其表面电子行为[1]。这种显微镜的放大倍数可高达3亿倍，最小分辨率（平行方向为0.04nm，垂直方向为0.01nm）仅为原子直径的1/25（即0.04）。扫描隧道显微镜的诞生是电子显微技术发展史上的一个重要里程碑，在此基础上，科学家们还发明了近场扫描光学显微镜NSOM/SNOM（nearfield scanning optical microscope，1984年）[2]、原子力显微镜AFM[atomic force microscope，又称扫描力显微镜SFM（scanning force microscope），1986年由宾尼希等3人发明[3-4]]、磁力显微镜MFM（magnetic force microscope，1987年）、静电力显微镜EFM（electrostatic force microscope）、摩擦力/横向力显微镜FFM/LFM（friction/lateral force microscope）、激光力显微镜LFM（laser force microscope）、化学力显微镜CFM（chemical force microscope）、光子扫描隧道显微镜PSTM（photon STE）、扫描热电势显微镜SThM（scanning thermal microscope）、弹道电子发射显微镜BEEM（ballistic electron emission microscope）、扫描离子电导显微镜技术SICM（scanning ion conductance microscope）和扫描隧道电位仪STP（scanning tunneling potentionmetry）等近30种不同用途的相关科学仪器[5]。上述发明为科学家们探索纳米世界提供了一系列强有力的现代化工具，促进了国际上纳米科技时代的到来。1986年与宾尼希合作《扫描隧道显微镜》[6]，翌年两人又合著专著《扫描隧道显微镜》（德文Das RasterTunnelmikroskop，英文The Scanning Tunneling Microscope）。
此外，罗雷尔还涉猎过磁相图（magnetic phase diagrams）、纳米力学（nanomechanics）、相变（phase transitions）、多临界现象（multicritical phenomena）、随机领域问题（randomfield problem）和超导性（superconductivity）等物理学前沿研究领域。
扫描隧道显微镜（STM）的发明在科学技术发明史上占有很重要的地位，从以下STM所获得的荣誉中就可窥见一斑并凸显其历史意义和价值。
2007年12月19日爱思唯尔（Elsevier，其总部设在荷兰首都阿姆斯特丹）旗下的《今日材料》（Materials Today）杂志（月刊，创刊于1998年）评选出全世界50年以来材料科学领域的十大科技进展：①《国际半导体技术蓝图（ITRS）》（The International Technology Roadmap for Semiconductors）：1994年起已更名为美国《国家半导体技术蓝图（NTRS）》（The National Technology Roadmap for Semiconductors）；②扫描探针显微镜SPMs（scanning probe microscopes）：包括STM、AFM、MFM和EFM等各种探针式扫描显微镜；③巨磁电阻效应GMR（giant magnetoresistive effect），法国物理学家费尔（Albert Fert，1938.03.07―）和德国物理学家克鲁伯格（Peter Andreas Grünberg，1939.05.18―）因于1988年先后独立发现巨磁电阻效应而分享2007年诺贝尔物理学奖，并共享“硬盘技术之父”的雅称；④半导体激光器和发光二极管（semiconductor lasers and LEDs）；⑤美国《国家纳米技术计划》（National nanotechnology initiative）；⑥碳纤维强化塑料（carbon fiber reinforced plastics）；⑦锂离子电池材料（materials for Li ion batteries）；⑧纳米碳管CNT（carbon nanotubes）；⑨软光刻（soft lithography）；⑩超材料（metamaterials）。
为纪念美国国际商业机器公司IBM（International Business Machines，成立于1911年6月16日）创建100周年，美国著名IT网站eWeek于2011年评选出IBM公司百年来十大高科技创新发明（均被授予美国专利）：①打孔机：专利号是US998631A，公开日：1911.07.25，IBM公司历史上的第一个专利；②场效应晶体管存储器（即动态随机存储器DRAM，日后成为计算机内存的标准）：专利号是US3387286A，公开日：1968.06.04；③扫描隧道显微镜（STM）：专利号是US4343993A，公开日：1982.08.10；④微机系统设备总线控制技术（即IBM PC/AT）：专利号是US4528626A，公开日：1985.07.09；⑤远紫外线外科和牙科手术（日后成为激光眼科手术的基础）：专利号是US4784135A，公开日：1988.11.15；⑥电子目录订购系统（该发明使公共和私人电子网上购物图录服务成为可能）：专利号是US5319542A，公开日：1994.06.07；⑦碳纳米管（专利名：碳纤维及其产品的生产方法）：专利号是US5424054A，公开日：1995.06.13；⑧管理数据挖掘维护（专利名：空间分析系统：有效地安排和调度基础设施的维护和监控）专利号是：US6496814B1，公开日：2002.12.17；⑨车辆电子设备安全技术：专利号是US7006793B2，公开日：2006.02.28；⑩硬盘录像机管理（专利名：通过网络管理数字视频记录）：专利号是US7684673B2，公开日：2010.03.23。
3凝聚态物理学、介观物理学与纳米科技
固体可分为晶体、准晶体（准晶体的发现是2011年诺贝尔化学奖的获奖成果）和非晶体三大类。组成晶体的粒子，在三维空间的排列形成晶格，具有周期性及与周期性相容的空间取向有序性。1855年法国物理学家布拉维（Auguste Bravais，1811.08.23―1863.03.30）最终确定晶格的型式有且只有14种（即布拉维点阵），并将其归纳为7类晶系。他首次将数学中群的概念应用于物理学，为固体物理学作出奠基性贡献。后来人们已确定晶体的对称性可由32个点群和230个空间群来描述。1912年德国物理学家冯・劳厄（Max Theodor Felix von Laue，1879.10.09―1960.04.23，1914年度诺贝尔物理学奖得主）发现X射线在晶体原子点阵中的衍射（劳厄图），开创了固体物理学的新时代，自此人们就可以通过X射线的衍射条纹来研究晶体的微观结构。
“凝聚态”是物质的一种聚集态，构成凝聚态物质的粒子相互之间存在着较强的作用，所表现的一个共同的宏观特征就是其难以被压缩。粒子间较强的相互作用，使凝聚态物质的性质相对于粒子间距较大的气态，具有一系列显著的特征。凝聚态物质包括常见相中的固态和液态（气态不属于凝聚态）、软物质（softmatter，又称软凝聚态物质或复杂液体）；高温下的等离子态；低温下的玻色─爱因斯坦凝聚态BEC（2001年诺贝尔物理学奖获奖成果）、费米子凝聚态、拉廷格液体（Luttinger liquid，又称TomonagaLuttinger liquid）、超流态（superfluid）、超导态（superconductor）和超固态（supersolid）以及磁介质中的铁磁性、反铁磁性（antiferromagnetism）和铁电体（ferroelectrics）等。凝聚态物理学是研究凝聚态物质的物理性质与微观结构以及它们之间的关系，即通过研究构成凝聚态物质的电子、离子、原子及分子的运动形态和规律，从而认识其物理性质的学科，其理论基础是量子力学。凝聚态物理学是以固体物理学为基础的外向延拓，低温物理学的发展拓宽了其研究领域。它涉及的研究内容十分广泛，应用性极强，已成为物理学科发展的重点。固体物理学的一个重要理论基石是能带理论，它建立在单电子近似的基础上，而凝聚态物理学的概念体系则渊源于相变与临界现象理论，根植于相互作用多粒子理论，因而具有更加宽阔的视野。20世纪90年代以后，“凝聚态物理学”已逐渐取代“固体物理学”而成为其同义词。
介观是指介于宏观和微观之间的意思。纳米（1nm=10-9m=10）是一个介观尺度的度量单位，它介于微观尺度（原子大小，0.1nm级）和宏观尺度（光学显微镜的分辨极限尺度是光波长的量级，即0.2～3μm）之间。介观物理学是一门研究介观体系中表面和界面问题的学科。在1990年3月美国物理学会凝聚态年会上，首次将介观物理学单独列为分组议题。20世纪90年代以来，对介观系统的研究已逐步成为凝聚态物理学的一个崭新研究领域[7]。
1959年12月29日美国理论物理学家和教育家理查德・费曼（Richard Phillips Feynman，1918.05.11―1988.02.15，1965年诺贝尔物理学奖得主）在加利福尼亚理工学院（Caltech）出席美国物理学会年会时，发表了题为《微观世界仍有很大发展空间》（Theres Plenty of Room at the Bottom）的演讲，明确提出以操纵单个原子、原子团或分子为手段的纳米技术这一基本概念。1962年日本东京大学数学物理学家久保亮五（Kubo Ryōgo，1920.02.15―1995.03.31）教授首创量子限制理论用来解释金属纳米粒子的能阶不连续性，这是纳米科技的重要里程碑。1974年东京理工大学谷口纪男（Norio Taniguchi，1912.05.27―1999.11.15）教授首创“纳米技术”（nanotechnology）一词用以表示公差小于1μm的精密机械加工，有时亦称其为纳米科技（nanoscience and nanotechnology）。现一般将发明STM的1982年（1981年是STM的技术难题突破年）视为纳米元年。1990年7月首届国际纳米科技会议和第5届国际扫描隧道显微镜学会议同时在美国巴尔的摩举行，大会将纳米电子学（包括自旋电子学）、纳米机械学、纳米生物学和纳米材料学列入纳米科技的四大前沿研究领域，并决定出版《纳米结构材料》（Nanostructured Materials）、《纳米生物学》（Journal of Nanobiotechnology）和《纳米科技》（Journal of Nanoscience and Nanotechnology）三种国际性期刊。1991年日本筑波科学城NEC公司物理学家饭岛澄男（Iijima Sumio，1939.05.02―）利用TEM在观察碳的团簇时偶然发现了纳米碳管，成为当时纳米科技研究的热点。
4电子显微镜发明简史
电子显微镜的研制历史可追溯到19世纪末，1897年德国物理学家布劳恩（Karl Ferdinand Braun，1850.06.06―1918.04.20，1909年诺贝尔物理学奖得主）利用荧光物质改善了克鲁克斯管，发明了一种可用荧光屏观测电场控制的狭窄电子束的阴极射线管──布劳恩管，它是电子示波器和电视显像管的前身，这样的电子束管和高真空技术为电子显微镜的诞生准备了技术条件。1924年法国理论物理学家德布罗意（Prince LouisVictor Pierre Raymond=7th duc de Broglie，1892.08.15―1987.03.19，1929年诺贝尔物理学奖得主）在其博士论文中将爱因斯坦关于光子波粒二象性的概念加以推广，系统地提出包括电子在内的一切微观粒子都具有波粒二象性的著名论点。1926年德国物理学家布希（Hans Walter Hugo Busch，1884.02.27―1973.02.16）研制成功世界上第一个磁力电子透镜并发表关于磁聚焦的论文，提出电子束通过轴对称电磁场时可以聚焦（如同光线通过透镜时可以聚焦一样），首创几何电子光学理论和电子透镜理论，为电子显微镜的诞生奠定了理论基础[8]。德国物理学家鲁斯卡（Ernst August Friedrich Ruska，1906.12.25―1988.05.27，被誉为“电子显微镜之父”）于1928年11月在柏林工业大学TUB（德文Technische Universitt Berlin，英文Technical University of Berlin，又译为柏林理工大学、柏林科技大学或柏林技术大学，1879年由3个学院合并而成）上大学期间就参加了由该大学高压实验室主任马提亚斯（Adolf Matthias，1882.07.29―1961.09.03）教授领导的阴极射线示波器科研组的工作，1929年开始在电子研究小组组长、德国电气工程师科诺尔（Max Hans Hermann Knoll，1897.07.17―1969.11.06）博士指导下从事电子透镜的实验研究，1931年3月9日他们合作创制出利用高真空下的电子束代替光束成像、二级磁透镜放大的透射电子显微镜原型，这是一台经过改进的阴极射线示波器，最初的放大率仅为16倍，这是世界公认的电子显微镜的雏形。鲁斯卡与德国物理学家冯・波里斯[Bodo von Borries，1905.05.22―1956.07.17，鲁斯卡的妹夫，1954―1956年任国际电子显微镜学会联合会IFSEM（2002年起更名为IFSM）首任会长，1956―1958年鲁斯卡接任第2任会长]合作，采用磁极靴代替长螺线管线圈，进一步研制出全金属镜体的电子显微镜并于1932年3月17日将这种磁透镜申请了德国专利（编号：DE680284C，公开日：1939年8月25日）。经不断改进和完善，在解决一系列技术难题（如稳定度极高的高压电源、电磁透镜电流的恒定和整个系统的高真空等）以后，鲁斯卡终于在1933年12月独自研制出比较成熟的透射电子显微镜TEM（transmission electron microscope），获得了金属铝箔和棉丝纤维的1.2万倍的放大像，其分辨率首次突破了光学显微镜[1628年德国神父和天文学家席耐尔（Christoph Scheiner，1573/1575.07.25―1650.07.18）利用两块凸透镜（物镜和目镜）制成复式显微镜，这是现代光学显微镜的原型。1874年德国光学家和企业家阿贝（Ernst Karl Abbe，1840.01.23―1905.01.14）利用衍射理论证明普通光学显微镜存在分辨率极限（即阿贝极限，0.2μm），奠定了光学显微镜成像的经典理论基础，1878年英国物理学家瑞利（1904年诺贝尔物理学奖得主）给出光学显微镜分辨率的极限公式]的极限，开创了物质微观结构研究的新纪元，TEM的发明被誉为“20世纪最重要的发明之一”[9]。1932年科诺尔和鲁斯卡合作在德国著名的《物理学年鉴》杂志《几何电子光学的进展》[10]，首次引入电子显微镜的概念和首次使用电子显微镜的名称，故1932年常被视为是电子显微镜的诞生年。1933年鲁斯卡以论文《电子显微镜的磁物镜》[11]（其研究主题是电子光学和电子显微镜学，博士导师：科诺尔）获柏林工业大学工学PhD。应西门子―哈尔斯克公司S & H[von Siemens & Halske，1966年西门子股份公司（Siemens AG）正式成立]的邀请，1937年春鲁斯卡和冯・波里斯帮助其建立电子光学和电子显微镜学实验室，1937―1940年他俩共同担任该实验室主任工程师和责任指导人，1940年将它建成为第一个电子显微镜开放实验室（当时装备了4台电子显微镜）。1939年S & H公司研制成功分辨率达30的世界上最早的商用电子显微镜（当时称超显微镜）并投入批量生产，鲁斯卡及其胞弟、医生和生物学家赫尔穆特（Helmut Ruska，1908.06.07―1973.08.30）等人利用这种电子显微镜在生物学研究方面（如噬菌体病毒）获得很大成功[12-13]。
1936年德国物理学家和发明家欧文・穆勒（又译为米勒，Erwin Wilhelm Müller，1911.06.13―1977.05.17）创制出场发射显微镜FEM（field emission microscope），后发展为场发射电子显微镜FEEM（field emission electron microscope）和场发射扫描电子显微镜FESEM（field emission SEM）。1952年以后他一直供职于美国宾夕法尼亚大学（简称宾州大学），1955年他发明了场离子显微镜FIM（field ion microscope），1967年他与合作者又发明了原子探针场离子显微镜APFIM（atom probe FIM）。
1937年（1938年正式发表相关论文）德国柏林西门子―哈尔斯克公司的应用物理学家和发明家冯・阿登纳男爵（Baron Manfred von Ardenne，1907.01.20―1997.05.26）在TEM基础上增加扫描线圈，创制出扫描透射电子显微镜STEM（scanning TEM），这是世界上第一台扫描电子显微镜SEM（scanning electron microscope，简称扫描电镜），它主要是利用样品表面产生的二次电子成像来对物质的表面结构进行研究，是探索微观世界的有力工具。出生于帝俄的美国无线电公司RCA（Radio Corporation of America）实验室发明家、现代电视技术的先驱兹沃里金（Vladimir Kosmich Zworykin，1889.07.29―1982.07.29，1924年加入美国籍）于1942年制成世界上第一台实验室用SEM（分辨率1μm），1965年英国剑桥仪器公司生产出世界上第一台商品化SEM，1985年德国蔡司公司（Carl Zeiss AG）研制出世界上第一台数字化SEM，1990年起全面进入数字图像扫描电镜时代。
SEM（1937年）、FIM（1955年）和STM（1982年）是已达到原子分辨水平的三种重要科学仪器，前两者主要应用于材料科学领域，而STM则直接导致纳米科技这一应用科学的兴起。1955年10月11日美国宾州大学物理学教授欧文・穆勒及其博士生巴哈杜尔（Kanwar Bahadur）首次通过FIM观察到单个钨原子的成像[14-15]，这是人类有史以来首次得以清晰地观察到单个原子的分布图像。出生于英国的美国芝加哥大学物理学家克鲁（Albert Victor Crewe，1927.02.18―2009.11.18）等人于1970年利用现代化的SEM实现了原子级的分辨率[16]。STM是第三种能够观察到单个原子的技术，甚至于可实现单原子操控[17-18]。现在科学家们利用STM观测到的扫描隧道谱STS（scanning tunneling spectroscopy）已能进行单分子物理学研究。
5瑞士籍诺贝尔物理学奖得主
迄今瑞士籍的诺贝尔物理学奖得主共有3.5位（爱因斯坦获奖时拥有德国和瑞士双重国籍，按0.5位计算）[19]：①1920年获奖的冶金学家、实验物理学家和计量学家纪尧姆（Charles douard Guillaume，1861.02.15―1938.06.13）：表彰“他发现镍钢合金的反常特性及其在物理学精密测量中应用的重要贡献”（in recognition of the service he has rendered to precision measurements in Physics by his discovery of anomalies in nickel steel alloys），他于1902―1915年任国际计量局BIPM（法文Bureau International des Poids et Mesures，英文International Bureau of Weights and Measures，1875年5月20日成立，其总部设在巴黎西南近郊的塞夫勒Sèvres）副局长，1915―1936年任BIPM局长。②1921年度获奖的理论物理学家爱因斯坦[20-22]。③1986年获奖的实验物理学家罗雷尔：1986年10月15日瑞典皇家科学院决定授予马克斯・普朗克学会弗里茨・哈伯研究所的联邦德国物理学家鲁斯卡、联邦德国物理学家宾尼希和瑞士物理学家罗雷尔当年诺贝尔物理学奖，当年每项诺奖奖金总额是200万瑞典克朗，鲁斯卡获得其中的50%，以表彰“他在电子光学的基础性研究并设计出第一台电子显微镜”（for his fundamental work in electron optics，and for the design of the first electron microscope）；宾尼希和罗雷尔各获得奖金总额的25%，以表彰“他们设计出第一台扫描隧道显微镜”（for their design of the scanning tunneling microscope）[23-24]。1986年12月8日鲁斯卡在斯德哥尔摩发表了题为《电子显微镜和电子显微镜学的发展》（The Development of the Electron Microscope and of Electron Microscopy）的诺贝尔演讲，同日宾尼希和罗雷尔也联名发表了题为《扫描隧道显微镜学：从诞生到成熟》的诺贝尔演讲[25]。④1987年获奖的超导物理学家卡尔・穆勒（又译为米勒，Karl Alexander Müller，1927.04.20―）：因高温超导体方面的重要贡献与联邦德国物理学家柏诺兹（Johannes Georg Bednorz，1950.05.16―）分享当年诺贝尔物理学奖，表彰“他们在发现陶瓷材料的超导性方面作出重大突破”（for their important breakthrough in the discovery of superconductivity in ceramic materials），获奖时他俩都是IBM公司苏黎世研究实验室的高级研究员。
1952年诺贝尔物理学奖得主布洛赫（Felix Bloch，1905.10.23苏黎世―1983.09.10苏黎世）是出生于瑞士的美国籍犹太物理学家，他1934年移居美国，1939年加入美国籍（未保留瑞士籍）。
各项诺贝尔奖得主现基本上在每年10月的上旬和中旬揭晓，公布顺序现依次是：生理学或医学奖、物理学奖、化学奖（2000年及以前与物理学奖同日公布）、文学奖、和平奖和经济学奖。鲁斯卡、宾尼希和罗雷尔是诺贝尔物理学奖历史上的第127～129位得主，诺贝尔奖历史上的第545～547位得主。罗雷尔是诺贝尔物理学奖历史上的第117位逝者，诺贝尔奖历史上的第547位逝者。
根据笔者的统计（双重国籍者各按0.5人计算），在113届（1901―2013）诺贝尔奖的颁奖历史上，现共有195人196人次荣获诺贝尔物理学奖（其中美国理论物理学家巴丁于1956年和1972年两次荣获物理学奖），瑞士籍得奖人数位于美国（86.5）、英国（23）、德国（22.5）、法国（13）、俄罗斯（10，含前苏联）、荷兰（8.5）、日本（6）和瑞典（4）之后，名列第九位。这9个国家的合计人数177占总人数195的90.77%，由此可见诺贝尔物理学奖得主的国籍是高度集中的，其国籍分布数量只有19个，仅多于1969年才设立的纪念阿尔弗雷德・诺贝尔经济学奖的12个[26-30]。
荷兰物理学家塞尔尼克（Frederik "Frits" Zernike，1888.07.16―1966.03.10）“因首倡相衬法，特别是他发明了相衬显微镜”（for his demonstration of the phase contrast method，especially for his invention of the phase contrast microscope）而荣获1953年诺贝尔物理学奖。1932年塞尔尼克试制成功第一台相衬显微镜（又称相差显微镜）并于同年11月26日以蔡司公司的名义申请了德国专利（编号：DE636168C，公开日：1936年10月7日），1941年蔡司公司首先生产出相衬物镜及其附件。
凝聚态物理范文第3篇
关键词：聚合氯化铝 絮凝剂 处理生活污水 技术论证
一、 背景和意义
1997年1月20日， 联合国发出了淡水资源短缺的警报：“缺水问题将严重制约下世纪的经济和社会发展，并可能导致国家间的冲突”。这份题为《对世界淡水资源的全面评估》的报告指出，目前全世界1／5以上的人口，即12亿人面临“中高度到高度缺水的压力”。该报告还预测，到2025年，世界人口将激增到83亿，全世界将有1／3的人口遭受“中高度到高度缺水的压力”。
随着工业的发展和人口急剧增长，淡水紧缺问题已引起世界各国的普遍关注，我国面临的淡水紧缺问题尤其严峻。我国水资源居世界第六位，但人均水量仅为世界人均水量的四分之一，居109位，加之淡水资源的时空分布不均和我国人口分布不均、社会发展不均，造成部分城市淡水资源严重紧缺。目前全国有300多个城市缺水，50多个城市严重缺水。淡水资源紧缺已严重影响这些地区的人民生活和经济发展，每年造成直接经济损失数千亿元。
进入21世纪，我国人口继续增长，将达到16亿高峰，对土资源的开发将达到临界状态，对水的需求也将进一步增加。1993年全国工农业生产和城乡居民生活用水已达到5250亿m3 ，人均用水纺450m3 。根据人口增长，工农业生产发展，如不节约用水，初步估计2030年需增加供水2000～2500亿m3 才能满足各方面的需要。黄、淮、海三流域2010年以后，随着人口的增加，人均水资源将不足400m3 ，当地水源已无潜力可挖，缺水只有远距离从长江调水才能得以解决。而长距离调水成本高、投资大、资金筹措困难，并还受到社会和环境等因素制约，工程的实施难度极大。因此，首先需要采用各种高新技术，通过节约用水、利用雨水、污水处理回用、海水利用等途径，千方百计努力提高工农业用水的效率。
随着工农业生产的迅速发展和人民生活水平的不断提高，对水的需求量也越来越大，与此同时，水资源的污染也日趋严重，人类可取的水资源正在逐渐减少。我国是水资源贫乏的国家之一，人均水量仅为世界人均水量的1／4，目前国内已有300 多个城市缺水，日缺水量约1000万立方米以上，严重地影响了国内的工业生产和人民生活。工业用水一般占城市用水的70％－80％，节约用水、合理用水的处理 受到各行各业的普遍关注，各种水处理剂的需求量也日益增加。聚铁、铝盐具有絮凝体形成速度快、矾花密实、沉降速度快、对低温高浊度原水处理效果好、适用水体pH值范围广等特性，同时还能去除水中的有机物、悬浮物、重金属、硫化物及致癌物，无铁离子的水相转移，脱色、脱油、除臭、除菌功能显著，且价格便宜，与其他净水剂相比，有着很强的市场竞争力，其经济效益也十分明显，值得大力推广应用。
目前我国每年的废水排放量约365亿吨，年处理量仅100亿吨，处理率不足 1／3。目前世界水处理市场中，包括聚铁在内的无机絮凝剂已占有3／4以上的市场份额。我国水处理剂工业虽已具有了一定的规模和水平，但仍远远不能满足大量的工业废水及民用水处理的要求，与国外先进水平相比还有不小的差距。业内人士预计? 今后几年国内水处理剂的生产将有较快的发展，年需求量将达到30万吨左右，其中絮凝剂的需求量为18万吨。
二、 关键技术和预期水平效益
现代废水处理方法主要分为物理处理法、化学处理法和生物处理法三类。
物理处理法：通过物理作用分离、回收废水中不溶解的呈悬浮状态的污染物(包括油膜和油珠)的废水处理法。通常采用沉淀、过滤、离心分离、气浮、蒸发结晶、反渗透等方法。将废水中悬浮物、胶体物和油类等污染物分离出来，从而使废水得到初步净化。
化学处理法：通过化学反应和传质作用来分离、去除废水中呈溶解、胶体状态的污染物或将其转化为无害物质的废水处理法。通常采用方法有：中和、混凝、氧化还原、萃取、汽提、吹脱、吸附、离子交换以及电渗透等方法。
生物处理法：通过微生物的代谢作用，使废水溶液、胶体以及微细悬浮状态的有机物、有毒物等污染物质，转化为稳定、无害的物质的废水处理方法。生物处理法又分为需氧处理和厌氧处理两种方法。需氧处理法目前常用的有活性污泥法、生物滤池和氧化塘等。厌氧处理法，又名生物还原处理法，主要用于处理高浓度有机废水和污泥，使用处理设备，主要为消化池等。与物理、化学方法相比较，生物法具有运行费用低、处理效果好的特点。但生物法存在着处理时间相对较长、废水中含有有毒物质存在时难以使用等缺陷。生物学家和工程技术人员正不断努力，通过改良微生物菌种、改良处理工艺等手段提高生物处理的效果。
通过各种手段对废水进行处理后再排放可减少污染，但彻底消除污染的方法是不产生污染物 。科学家们正在不断努力，一方面，寻找更有效的废水处理方法，消除污染物；另一方面，研制设计出新的清洁生产工艺，减少污染物的产生。
下面我们来着重谈谈化学处理法中的絮凝法：
强化絮凝过程需要提高两方面的技术：
（一）、发展新型高效能絮凝剂
（二）、发展高效絮凝反应器，技术上取得新的突破。
同时做到相互协同发展，进而将这两方面优势有机地结合起来，建立新型絮凝工艺技术系统，从整体上改进水处理絮凝过程的质量和面貌。
在研究开发新型高效絮凝剂方面
无机高分子絮凝剂（IPF）
无机高分子絮凝剂（IPF）无疑是当前研究的重点。由于它比传统絮凝剂具有适应性强、无毒、可成倍提高效能且相对价廉等优点，因而近年已得到广泛重视，正逐步发展成为混凝过程的主流药剂。其中，聚合氯化铝是当前工业生产技术最成熟、效能最高、应用最为广泛的无机高分子絮凝剂品种。同时，以聚合氯化铝产品作为基本原料，还可衍生制备出多种系列的适合于不同水质处理状况的复合型无机高分子絮凝剂。如聚合铝铁、聚合硅铝以及有机复合型絮凝剂。
尽管大量的混凝实践证明聚合铝絮凝剂比传统铝盐凝聚剂的混凝效能提高2~3倍。但对于这类新型药剂为何会突出地高效尚缺乏全面深入的科学验证和理论诊断，一般的认识和处理方法尚停留在沿用传统凝聚剂的概念或主观推断，尚缺少直接的实验验证。实际上，在聚合铝应用基础方面，从形态分布及其转化规律，聚合反应控制参数及其制备条件，投加后的形态转化及其稳定性，高效凝聚絮凝机理及效能，以及应用工艺技术等诸多方面，均有别于传统凝聚剂，这些问题只有经过全面系统深入地研究，才能够得到较确切的解答，同时促进这类新型药剂的进一步提高并扩展其应用范围。
基于上述原因，我们就以现代化学及絮凝理论为基础，追踪当前国际研究发展动向，同时结合实际生产工艺及水处理实践，从混凝理论的发展，聚合铝水解形态转化及其分布特征，絮凝形态稳定性及电动特性，以及高效凝聚絮凝效能，作用机理与絮凝动力学，聚合铝高效絮凝应用实践等多方面进行了全面深入、系统地研究，为深入揭示聚合水解－聚合反应过程及形态转化规律，阐明聚合铝水解聚合形态与凝聚作用机理及絮凝动力学的相互关系，建立定量聚合铝的表面吸附沉淀模式提供科学理论研究的基础。同时也为进一步改进聚合铝产品质量，提高凝聚剂絮凝效能，拓宽应用范围提供必要的应用基础理论研究依据。最终为推动和发展我国无机高分子絮凝剂的基础应用理论研究，提高工业化生产技术水平及其应用实践作出贡献。
有机高分子絮凝剂
高分子絮凝剂种类
目前应用于水处理中的高分子凝剂，为分子量由数万至数百万的高分子水溶性有机聚合物。有机高分子絮凝剂具有在颗粒间形成更大的絮体及由此产生的巨大表面吸附作用。因而，近年来国内外在研究和应用方面都进展得很快。絮凝剂的种类很多，按其来源可分为天然和人工合成的两大类。
天然高分子絮凝剂
淀粉、单宁、纤维素、藻朊酸钠、古尔胶、动物胶和白明胶等等。天然高分子絮凝剂可经过各种化学改性以适应不同的需要，如淀粉可改性为糊精、苛化淀粉、含磷酸盐－CH2OPO（CH）2和含胺基－CH2CH2NH2的淀粉等。一般来说天然高分子絮凝剂价格低廉，但分子量较低且不稳定，使用时用量高，效果不佳且排放时有可能产生BOD等问题。所以，除考虑到毒性而使用人工合成的高分子絮凝剂。其中用得最为广泛的要属分子量为300万以上的聚丙烯酰胺及其衍生物。实践证明，不同的高分子絮凝剂，对不同的水质处理效果相差很大，其最佳效果的用量幅度很小，超过一定范围，反而会形成复稳。
高聚合度的水溶性有机高分子聚合物或共聚物的分子中，含有许多能与胶粒和细徽悬浮物颗粒表面上某些点位起作用的活性基团，分子量在数十万至数百万。根据聚合物单体上活性基团在水中的离解情况，按官能团分类可分为非离子型、阴离子型和阳离子型三类。表1是许多高分子絮凝剂的主要官能团。
国内外常用的具有代表性的高分子絮凝剂有：非离子型－聚丙烯酰胺（简写为PAM，分子量在150万－900万，商品浓度一般为8%）、聚氧化乙烯；阴离子型－聚丙烯酸（PAA）、聚甲基丙烯酸水解聚丙烯酰胺（HPAM）、聚磺基苯乙烯；阳离子型－丁基溴聚乙烯吡、聚二丙烯二甲基胺（PDADMA）。用量一般为废水量的百万分之一至百万分之二。
当絮凝剂为离子型，且其电性与胶粒表面电荷相反时，絮凝剂就考虑到降低ξ电位和吸附桥连的双重作用，絮凝效果就特别显著；而当其点性与胶粒表面电荷相同时，则要求双方的电荷都不太强。为要充分发挥絮凝剂的吸附桥连作用，应使它的长链生长到最大限度，同时让可离解的基团达到最大的离解度且得到充分的暴露，以便产生更多的带电部位，并与微粒有更多的碰撞机会，结果絮凝效果可提高数倍。
表1：高分子絮凝剂的主要官能团
非离子型官能团 ——OH 羟 基
——CN 腈
——CONH2 酰 胺
阳 离 子 官 能 团 ——NH2 伯 胺
——NH—R 仲 胺
——N—RR 叔 胺
R——N—RR 季 胺
阳离子型官能团 ——COOH 羧 酸
——SO3H 磺 酸
——OSO3H 硫酸脂
当然，絮凝剂的选择及使用量要根据废水的具体性质而定，总的原则是所用的絮凝剂必须价廉、易得、高效、使用量少。生成的絮凝物易沉降分离。使用无机絮凝剂时要注意其适用的pH值范围，一般在投加无机盐絮凝剂后再添加pH调节剂。对高分子絮凝剂，为了充分发挥其在水中的化学架桥作用，应选用能在水中均匀分散、溶解，具有吸附活性基因的高分子化合物、水容性高分子化合物。为了使其在水中处于较大的分散状态，一般先用纯水或软水溶解配成一定浓度的溶液，然后再加到待处理的废水中去。因为这些高分子化合物往往会受到水质的影响。使分子的扩散和离子基的离解受到抑制，处理效果下降。
在絮凝反应器方面
目前处于主流的反应器有：隔板反应池、涡流式反应池、机械搅拌反应池、静态混合器、文丘里管道混合器、机械加速澄清池、固定絮凝器等等。为了使胶体脱稳和絮体颗粒增大密实，并降低能耗、药耗，就需要对絮凝设备结构构造进行深入研究，开发出新型高效的絮凝设备。根据涡流理论设计的多极涡流管式混合器和通过一系列格网以增加水流紊动度来提高絮凝效果的竖流往复折流式絮凝反应器便是其中效果较好的两种絮凝设备。
三．应用情况和开发利用前景
絮凝过程既是最古老的水质净化处理方法，又是当今众多水处理工艺技术中应用最广泛、最普通的单元操作工艺技术。絮凝过程作为众多处理工艺流程中不可缺少的前置关键环节，其效果的好坏往往决定后续工艺流程的运行工况、最终出水质量和成本费用，因此，它始终是水处理工程中重要的研究开发领域。我国现有近百余家絮凝剂生产厂，年总产量约30万吨，但大多为粗放型小规模的乡镇企业。企业多、产值低，工艺技术落后、高能耗、重污染、低品位是目前我国无机高分子絮凝剂生产存在的普遍而突出的问题。
高效复合型絮凝剂是在原有无机高分子絮凝剂基础上创新发展的新型品种，具有价廉、高效、多功能，反应速度快，凝絮颗粒密实、沉降快等特性。比传统产品具有显著除浊、脱氮除磷以及油，COD和BOD等作用功能。在当前饮用水微污染物净化处理工艺，城镇污水强化絮凝工艺，纳污河流整治以及工业废水净化处理过程中都将得到广泛应用。因此，国内外市场应用前景十分看好。社会环境效益与经济效益十分可观。
目前市场上流行的絮凝剂主要有：季胺盐型阳离子高分子化合物、ZBH-502 聚合氯化铝(PAC)、ZBH- 净水王系列高效复合混凝剂、ZBH-聚硅酸系列混凝剂、ZBH-聚丙烯酰胺系列絮凝剂、ZBH-201絮凝脱色剂、ZBH-202 季铵型絮凝剂、ZBH-203 除油絮凝剂（油水分离剂）、二氯异氰脲酸钠、HB-901 杀菌灭藻剂、HB-902 固体活性溴杀菌灭藻剂、HS-916清洗剂系列、高效阳离子有机高分絮凝剂JY-02、多功能复合型絮凝剂JYF系列、Polyelectrolyte(DMCTH)、阳离子高分子絮凝剂JC-48XX系列、阳离子絮凝剂 HYC—601、乳液型E-HYM阳离子絮凝剂、阴离子絮凝剂HY─3、阳离子絮凝剂HYM、聚合硫酸铁(PFS)等等。
四、影响絮凝效果的因素
絮凝剂对胶体分散系的混凝过程，实质上是絮凝剂-溶剂、絮凝剂-胶体、胶体-溶剂这三种关系综合作用的结果。为了提高絮凝效果，就必须根据废水中胶体和细微悬浮物的性质和浓度，正确地控制絮凝过程的工艺条件。影响絮凝的因素很多，现归纳如下：
1、水温 絮凝剂的水解与温度有关，一般说来，水温20~30℃为宜。每当温度升高10℃时，水解速度增加1倍。温度尤其对铝盐的絮凝效果影响较大，当水温低于5℃时，铝盐的水解速度极慢，作用显著降低。温度在10~15℃下，生成Al（OH）3絮团是无定形，松散不易沉降，水温低，水的耗滞系数大，阻力增加，碰撞次数减少，影响絮凝效果。这时可投加高分子助凝剂以改善处理效果，或用气浮法代替沉淀法作为后续处理过程。而当温度升高时，絮团比较紧密，易于沉降。
2、pH值 铝、铁盐絮凝剂水解产物中主要起絮凝作用的是多核多羟基阳络离子的电性中和作用和吸附桥连作用，其次是氢氧化物沉淀的卷带网捕作用。如用铝、铁盐处理废水时，水解反应式为：
MeA + H2O ===== MeOH + H+ + A—
Me+ + H2O ===== MeOH + H+
其中，Me+代表絮凝剂中的阳离子；A—代表絮凝剂中的阴离子。由水解方程式可知，水解进行结果使溶液pH值降低。若原水碱度不足，要中和新增加的H+离子时，应投入碱类药剂以提高碱度。一般投入助凝剂，如加入石灰或苏打（约20mg/L，以CaO计）。是典型的两性化合物
在酸性溶液中 Al（OH）3 + 3H+ ==== Al3+ + 3H2O
在碱性溶液中 Al（OH）3 + OH— ==== AlO2 + 2H2O
当PH 4时,水中无Al(OH)3胶粒存在,呈[Al(OH)n]3+, n = 6~10。
当4 PH 6时,为[Al6(OH)15]3+、[Al7(OH)17]3+、[Al8(OH)20]4+、[Al13(OH)34]5+等。
当6 PH 8时，发生[Al(OH)3]沉淀。
当PH 8时，呈[Al(OH)4]、[Al8(OH)26]2—等铝的离子。
所以溶液最适宜的pH值为6.4~7.8。铁盐絮凝时pH值在5~7范围内，Fe(OH)3絮团可以迅速形成，最佳的pH值为6.0~6.4；但有的资料指出以pH值9~11为佳。
（3）混凝剂的种类及用量 混凝剂品种的选择除了考虑来源、成本等因素外，还应该考虑以下问题：当水循环使用时，混凝剂不应带入对生产有害的物质；絮凝剂的用量取决于胶体的浓度、电性正负和电荷数量以及絮凝过程的pH值。各种絮凝的最佳用量范围是互不相同的。
无机盐絮凝剂的用量与作用离子的电荷有关。例如，使带负电胶体脱稳所需的Na+、Ca2+和Al3+的用量大体成1：10－2：10－3的比例。使胶体絮凝的絮凝剂用量范围随胶体浓度的增大而变宽，随絮凝剂分子量的增大而变窄。高分子絮凝剂，使胶体絮凝和再稳的计量要比铝铁盐低得多，在使用高分子絮凝剂时尤其要十分注意使用量。
（4）搅拌强度和时间
絮凝工艺过程包括混合、反应和分离三个阶段。混合阶段的基本要求是使药剂迅速而均匀地扩散到废水中，并形成微絮凝，因而搅拌强度要大，但时间要短。在反应阶段则要求水流有适当的速度梯度，既要为微絮凝的成长创造良好的碰撞机会，又要防止已形成的絮凝体被打碎，因而搅拌强度要比混合阶段小，但时间要比较长。上述两个阶段的搅拌强度和时间要求，由它们各处的速度梯度G或速度梯度与停留时间乘积GT值来体现。一般水处理中，混合阶段的G值约为500~1000s—1，混合时间为10~30s，一般不超过2min;在反应阶段，G值约为10~100s－1，停留时间一般为15~30min，GT值在104~105范围内，主要是使水中微粒凝聚成矾花并增大而沉淀（或上浮）的过程。在废水处理中，搅拌强度和时间应取低限值。
（5）水样
对不同水样，由于废水中的万分不同，同一种絮凝剂的处理效果可能会相差很大。
（6）助凝剂
有时当单用絮凝剂不能取得较好的效果时，可以投加某种称为助凝剂的辅助药剂来调节、改善絮凝条件，提高处理效果。助凝剂主要起以下几方面的作用：
① 通过投加酸性或碱性物质来调整pH值。
② 通过投加活化硅胶、骨胶、PAM等改善絮凝体结构，利用高分子助凝剂的吸附架桥作用以增强絮凝体的密实性和沉降性能。
③ 通过投加氯、臭氧等氧化剂，在采用FeSO4是，可将Fe2+氧化Fe3+为，当废水中有机物过高时，也可使其氧化分解，破坏其干扰或使胶体脱稳，以提高絮凝效果。
常见的助凝剂有PAM、活化硅胶、骨胶、海藻酸钠、氯气、氧化钙、活性炭等。
五、聚合铝水处理领域应用概况
在水处理工程领域中，聚合氯化铝絮凝剂在国内外的需求量日益激增，尤其在给水处理中已逐渐取代传统的凝聚剂而成为主流絮凝剂。大量的应用实践证明，使用聚合氯化率替代传统的铁、铝盐混凝剂，可明显提高水厂的净化效能、降低处理成本、改善出水水质。其主要优点表现在：
（一）、优良的凝聚除浊脱色和去除腐殖质的效果及较广泛的使用pH范围
聚合氯化铝不仅具有强烈的凝聚除浊效果，而且也具有明显脱色及去除腐殖质的效果。在相同处理条件下达到最佳絮凝作用，聚合铝所需剂量比传统铝盐要减少2/3之多。在相同剂量条件下，使用聚合铝能够获得比传统铝盐更低的残余浊度，因而可以以较低剂量得到相同的处理结果。此外，聚合铝使用的pH范围比传统铝盐要宽的多。
（二）、良好的低温混凝处理效能及沉降效能 一般在低温水（ 5℃）时,传统混凝剂的混凝除浊效能明显降低并导致出水水质恶化,而使用聚合铝,无论是低温还是常温水,都能获得较好的混凝除浊效果。此外,聚合铝能够明显提高固液分离效率，改善沉降过滤及污泥脱水性能，从而缩短沉淀池的停留时间，增加产水量。另外，由于所生成絮凝体颗粒大而紧密，从而易于进行过滤和污泥脱水。
（三）、较低的残留铝含量 聚合铝处理后水中的残留铝含量十分低，传统硫酸铝处理水中的残留铝含量一般为150~255μg/L，而聚合铝处理水质中的残留铝含量只有40~55μg/L。
（四）、操作简便 采用聚合铝盐处理时操作过程相对传统的处理方法要简便得多。
主要参考文献
1 朱亦仁编著.环境污染治理技术.北京:中国环境科学出版社,2002
2 丁忠浩编著.有机废水处理技术及应用.北京:化学工业出版社,2002
3 汤鸿霄,钱易,文湘华等著.水体颗粒物和难降解有机物的特性与控制技术原理,上卷.北京:中国环境科学出版社,2000
4 杨岳平,徐新华,刘传富编.废水处理工程及实例分析.北京:化学工业出版社,2003
5 高廷耀,顾国维主编.水污染控制工程(第二版),下册.北京:高等教育出版社,1999
6 栾兆坤.混凝、过滤理论研究发展与应用实践——聚合氯化铝在微絮凝—深床直接过滤工艺中的净水效能及作用机制.第一届澳门环境与城市发展研讨会特邀报告论文集，1999
7 常青，傅金镒，郦兆龙编著.絮凝原理.兰州：兰州大学出版社，1993
凝聚态物理范文第4篇
关键词：普通混凝土；聚合物再生混凝土；抗压强度；阻尼比
中图分类号：U416 文献标识码：A
0.前言
随着社会的进步和建筑业的不断发展，建筑废弃物是城市垃圾的主要组成部分，据统计，世界多数国家的建筑物拆除垃圾和建筑施工垃圾的数量约占城市垃圾总量的30%～40%。建筑废弃物成分复杂，但其中废弃混凝土块、碎砖块等所占的比例最高，可以作为再生骨料等进行资源化利用。将废弃混凝土块经过处理加工成再生骨料，既能解决天然骨料资源缺乏的问题，保护骨料产地的生态环境，又能解决城市废弃物的堆放、占地和环境污染等问题，实现混凝土生产过程中的物质循环利用，保证建筑业的可持续发展。
工程结构的防灾减灾能力和建筑废弃再生利用越发受到政府重视，工程领域期望着建材具有优异的抗冲击能力、减震性能，从而为工程结构抵抗灾害的能力提供安全保证。混凝土作为基础建设中应用最广泛的建筑材料成为实现人们对工程结构期望性能的载体，但再生混凝土也有自身的缺陷，如抗压、抗拉、抗折强度较低、脆性大、阻尼耗能性和抗化学腐蚀能力差等。我们通过试验发现在再生混凝土添加聚合物，可克服再生混凝土以上绝大多数的缺陷，尤其使混凝土减震耗能性增强，从而揭示了再生混凝土阻尼性与强度之间跷跷板的关系及成因，有效解决了阻尼功能与强度等力学性能不可兼顾的矛盾，为该类材料的设计、制备以及推广应用提供了重要的依据和理论指导。
1.聚合物再生混凝土
聚合物再生混凝土是将水泥与再生骨料混合，与分散在水中聚合物粉料或在水中互溶的聚合物乳液结合产生的复合材料。目前，有许多国家在研究聚合物再生混凝土，其制作方法有两种，一是将聚合物与水混合，以乳液的形式加入，影响水泥水化过程，从而能够改善再生混凝土结构；二是先将聚合物与水泥进行预分散，制成干拌再生砂浆，到施工现场加水拌制后使用。混合物与水拌和时，聚合物遇水变为乳液，在混凝土凝结硬化过程中，乳液脱水，形成聚合物固体结构，从而来影响混凝土内部结构，提高其性能。
本试验在制备所研究聚合物再生混凝土时分别采用了以上两种制备方法，将不同聚合物作为混凝土制备的原材料，根据所加入的用量多少来研究其对再生混凝土的抗压和阻尼性能。
2.聚合物再生混凝土试验介绍
2.1 试验材料介绍
32.5普通硅酸盐水泥，掺和料为硅灰，粗骨料是粒径在2.65mm～26.5mm级配的再生骨料，由废弃的混凝土材料制成，细骨料为河砂，聚合物为丁苯胶乳和再生橡胶粉。
2.2 试验方法
混凝土抗呵慷仁匝榘凑铡镀胀混凝土力学性能试验方法》执行，试件为150×150×150mm的立方体试件，压力试验机加荷速度为每秒钟0.5MPa，抗压强度按下式计算：
（1）
式中：fcu――试件破坏荷载（N）；
A――试件承压面积（mm2）。
混凝土阻尼性能测试按照自由衰减法进行，采用锤击振动试验装置（图1所示），试件为T型（图2所示），阻尼比按下式计算：
（2）
式中：
A1和A2为自由衰减曲线中的两个峰值；
n为A1与A2之间的振动次数.
试验前制备的立方体试件和T型试件有普通混凝土各一组，丁苯胶乳、再生胶粉掺入量分别是7%、14%、21%、28%的聚合物再生混凝土分别4组；总计18组54个试件。试验时分别进行普通混凝土、再生胶粉再生混凝土和丁苯胶乳再生混凝土的抗压强度和阻尼性能测试，记录数据，按照式1和式2计算各组试件的抗压强度和阻尼比。
2.3 破坏形态
抗压强度破坏形态：在聚合物再生混凝土立方体抗压强度试验中，首先裂缝出现在靠近试块的侧表层，形成相互近似平行或正倒的“八”字形形式，如图3所示。随着荷载的不断加大，混凝土外表面开始外鼓、剥落，最终的破坏形态为相互分离的正、倒四角锥。
抗折强度破坏形态：加载初期，再生混凝土试件表面未发现有裂缝出现；随着荷载的增大，试件底表面开始出现细微裂缝，裂缝出现在试件所施加的两个集中荷载之问，随着荷载的继续增加，裂缝沿着侧表面逐渐竖向向上延伸。当荷载继续增加，再生混凝土试件裂缝宽度逐渐增大，最后再生混凝土被折断。
从裂缝出现形式和破坏最终形态进行判断，聚合物再生混凝土的破坏方式与普通混凝土基本一致。
2.4 立方体抗压强度分析
再生混凝土抗压强度的研究上，肖建庄、Frondistou-Yarnnas等国内外学者成果指出不同类型的再生混凝土抗压强度比普通混凝土要低，且降低幅度在5%～24%之间。在本试验中，从表1和表2可以看出，聚合物再生混凝土随着聚合物掺入量的增大，28天抗压强度随之降低，且降低幅度不断扩大，基本符合以上学者的研究成果。但本试验强度降低幅度偏大，掺入再生橡胶粉试件抗压强度最大降幅为38.57%，掺入丁苯胶乳试件抗压强度最大降幅则达到74.03%。
表1掺入丁苯胶乳试件抗压强度测试结果
聚合物掺入量 0 7% 14% 21% 28%
抗压强度（MPa） 27 24.03 15.78 11.67 7.01
与普通混凝土相比抗压强度提高百分率 0 -11 -41.55 -56.77 -74.03
表2掺入再生橡胶粉试件抗压强度测试结果
聚合物掺入量 0 7% 14% 21% 28%
抗压强度（MPa） 35 30.3 28.1 23.0 21.5
与普通混凝土相比抗压强度提高百分率 0 -13.42 -19.71 -34.28 -38.57
经研究分析，聚合物再生混凝土抗压强度降低的可能性有：①经过人工或机械破碎后，使再生粗细骨料出现了结构性裂缝，降低了骨料的致密程度，从而使其压碎指标降低，同时破碎后的粗细骨料未经清洗就直接使用，其中含有较多的泥渣和杂质，从而影响水泥与骨料的黏结性能。②聚合物的掺入在混凝土硬化过程中会聚集凝结，通过物理化学作用逐渐生成黏性膜状物，这些膜状物会包裹骨料和未水化的水泥颗粒，使水泥水化不充分，黏结性变差，混凝土强度降低。
2.5 阻尼性能分析
从表3和表4的数据可以看出，不同类型的聚合物再生混凝土阻尼比与普通混凝土试件阻尼比相比都有所提高，提高的百分率随着聚合物掺入量的增加而加大，但在掺入量大于14%以后，阻尼比的增长速率均变快，掺入丁苯胶乳的试件比掺入再生橡胶粉的试件其阻尼比增长速率加快要大，当丁苯胶乳掺入量达28%时，其阻尼增幅可达180.39%。
表3掺入再生橡胶粉试件阻尼比测试结果
聚合物掺入量 0 7% 14% 21% 28%
阻尼比 0.98 1.53 1.49 1.6 2.29
与普通混凝土相比阻尼比提高百分率 0 56.12 52.04 63.26 133.67
表4掺入丁苯胶乳试件阻尼比测试结果
聚合物掺入量 0 7% 14% 21% 28%
阻尼比 1.02 1.45 1.92 2.5 2.86
与普通混凝土相比阻尼比提高百分率 0 42.15 88.23 145.09 180.39
综合表1～表4可以看出，不同种类聚合物再生混凝土性能是不同的，再生橡胶粉再生混凝土抗压强度要大于丁苯胶乳再生混凝土，但其阻尼比要低于丁苯胶乳再生混凝，呈现出的规律是在聚合物再生混凝土中，抗压强度越大的混凝土其阻尼性越低，抗压强度越小的混凝土其阻尼性越高，抗压强度与阻尼性成反比关系。
出现以上这种现象的原因可能是在聚合物和再生混凝土之间没有发生化学反应，当聚合物成分与再生混凝土料浆拌和时，再生混凝土中的水泥与聚合物乳液中的水发生水化反应，而乳液由于水分的减少而逐渐变稠，聚合物固体物质颗粒相互聚集且粘连，随着水泥水化反应的充分进行，在混凝土表面和内部凝聚成丝状薄膜层，与CSH等胶体粒子相互交织，骨料被牢固地黏Y在一起，整个形成相互贯穿的网络状结构形式。此结构形式极大地增强了再生混凝土的形变能力，但削弱了强度性能，聚合物用量的多少影响到集合物再生混凝土界面层的改善程度，所以聚合物用量越大，再生混凝土的阻尼比也越大，抗压强度越小。
2.6 阻尼性能产生原因探讨
聚合物再生混凝土之所以产生较好的变形性和良好的阻尼性，主要原因是大分子成分的聚合物在一定频率的交变应力作用下，链状分子的链段运动克服内部阻力需要一段时间。对于试验中采用的T字型试件，在激振力的作用下产生振动，对再生混凝土的变形具有柔性减幅作用，混凝土发生形变时，其应变要滞后于应力。由于聚合物再生混凝土的阻尼性能与频率有关，所以在一定的频率范围内，这种滞后现象表现得十分明显。滞后的变形运动需要克服较大的阻尼，这个过程将机械能转化为热能消耗到。另外，聚合物分子间和水泥水化后各类新物质的分子间以及它们的表面或内部层之间运动摩擦都会产生阻尼。
结论
（1）采用丁苯胶乳和再生橡胶粉两种聚合物制备的再生聚合物混凝土，其阻尼性相比普通再生混凝土均有所提高，但两者对混凝土抗压强度都有明显的减弱作用。
（2）聚合物再生混凝土中，抗压强度越大的混凝土其阻尼性越低，抗压强度越小的混凝土其阻尼性越高，抗压强度与阻尼性成反比关系。
（3）丁苯胶乳再生混凝土的阻尼性要优于再生橡胶粉再生混凝土的阻尼性，但前者的抗压强度强度方面比后者要低。要获得阻尼比和抗压强度综合指标较好的聚合物再生混凝土，再生橡胶粉用量控制在7%～14%之间，丁苯胶乳用量控制在10%左右。
（4）考虑到大分子聚合物对再生混凝土强度削弱的影响，在制备聚合物再生混凝土时，可采用其他方法来保持或提高混凝土的强度性能，如掺入适当的外加剂，如纳米二氧化硅。
参考文献
[1] GB 50081-2002，普通混凝土力学性能试验方法标准[S].
[2]柯国军，陈俊杰，石建军，等.混凝土阻尼试验研究及其机理分析[J].噪音与振动控制，2005：61-63.
凝聚态物理范文第5篇
关键词：壳聚糖；水凝胶；组织工程；药物释放；医用敷料
甲壳素，又被称为几丁质，因其自身含有大量氨基多糖称为唯一的天然阳离子多糖，主要从甲壳生物的外壳或昆虫的外骨骼中提取得到。甲壳素为由N-乙酰-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖通过β-1，4糖苷键形成多糖，即N-乙酰-D-葡萄糖胺的聚糖。壳聚糖是甲壳素上的氨基的脱乙酰化产物，反应活性和溶解性均比甲壳素强。壳聚糖在自然界中的含量位列第二位，仅低于纤维素，并且能够实现可循环利用，是理想的生物医用材料。壳聚糖具有许多优良特性：对环境无污染，生物相容性和可降解性高，来源广泛，以及具备黏膜黏附性、抗菌活性等。
水凝胶是由水溶性高分子经过交联后形成的，交联网络结构能在水中膨胀但会分散，能够保持含水量高但并不溶剂的状态，可以达到几十甚至几百倍的吸水率，是很强的吸水材料，其中的液体水被固定于高分子三维网络结果当中，整个水凝胶体系可以保持良好的稳定性。水凝胶质地柔软，与活体组织质感相近，具有良好的生物相容性使得它在生物医药领域具有广阔的应用前景，如，可作为药物缓释材料、蛋白质电泳、隐形眼镜、人造血浆和皮肤、组织填充材料、组织工程支架等。
壳聚糖水凝胶具有低毒性和高生物相容性，作为智能水凝胶是还具有pH或温度的敏感性，并且不影响药物本身的药效发挥，在用作药物缓释材料、组织工程支架、医用敷料等领域具有良好的应用前景。[1]
1 医用壳聚糖水凝胶药物释放体系
药物释放系统包括有药物固定和药物的控制释放过程，凝胶本身因其网络结果能够很好的实现药物的存储固定，同时溶胀度的变化过程能够控制药物的释放速率，还容易在体内降解代谢。因此，水凝胶在口服、口腔、鼻腔、阴道、直肠、眼部、注射等给药途径具有较大的应用潜力。
药物释放用水凝胶主要包括温度敏感水凝胶和pH敏感水凝胶，对于温度敏感性的凝胶，当处于人体温环境（37℃）时，凝胶发生亲水膨胀，网络结构由紧变松，从而释放出药物；对于pH敏感的水凝胶，当处于肠道内较高pH环境中时，凝胶膨胀释放药物，而在pH较低的胃环境时并不释放药物，从而避免强酸性胃液对于药物效果的影响。[2]
Dumitriu等研究了一种壳聚糖/黄原胶复合水凝胶，通过将黄原胶与碱性药物复合，并在酸性条件下逐步释放，通过调节壳聚糖的脱乙酰度，可以对凝胶的理化性质进行调整。天津大学姚康德等将壳聚糖、明胶和果胶复配并利用戊二醛作为交联剂共交联制备得到了壳聚糖基凝胶，该水凝胶具有pH灵敏性可用于药物释放体系，可作为口服抗酸、治疗胃肠疾患的滞留型控释制剂，可以减少药物突释造成的毒副作用，并且具有良好的生物相容性和生物降解性能。中国海洋大学刘成圣[3]等将壳聚糖脂肪酸酯复合物和α，β-甘油磷酸钠复配，制备得到温敏水凝胶负载抗肿瘤药物，用于原位注射局部治疗的药物载体。通过与酯化改性提高了壳聚糖的温度灵敏性和稳定性，对于肿瘤的治疗具有广阔的应用前景。
2 医用壳聚糖水凝胶敷料
水凝胶质地柔软，可以实现与伤口的充分接触，并且能为伤口提供一个良好的湿润环境，进而促进伤口的愈合。利用壳聚糖水凝胶制备得到的医用敷料具有柔软、舒适与创面的贴合性好的优点，并且能够缓解疼痛和抑制出血，同时部分水凝胶还具有抗菌消炎的功效。此外，在病患伤口的愈合、自身皮肤生长的过程中，壳聚糖水凝胶敷料能自行降解并被机体吸收，免除了揭除时病人的痛苦，还会促进皮肤再生，对治疗高热创伤特别有效。[4]
德州海利安生物股份有限公司研究一种医用胶体敷料及其应用，该敷料主要包括水溶性甲壳素和醋酸氯己定，具有镇痛、抑菌、抗炎、促进创面愈合、抑制瘢痕增生、提高创面修复质量的作用，对手术切口、烧伤创面、烫伤创面、溃疡创面的治疗和修复具有显著疗效。
3 医用壳聚糖水凝胶组织工程支架
水凝胶具有三维网络结果，网络中填充有大量水，便于营养物质和代谢产物的运输，并有助于保护细胞。此外，水凝胶还可以通过注射方式植入体内，手术创伤小，并在体内环境改变下可以原位胶凝，由于发生胶凝的条件温和对负载药物的影响较小，是实现生L因子或药物递送非常适宜的载体材料。因此，水凝胶制备组织工程支架具有天然的优势。
壳聚糖由于其具有氨基而带有大量正电荷，可以吸引带有负电的细胞壁，有利于细胞的附着；其降解后的产物具有良好的生物相容性；此外壳聚糖还具有杀菌、防黏连、维持体内生态平衡等许多功效协同组织的修复。因此，壳聚糖是制备组织工程支架的优良材料。[5]
Bio Syntech Canada公司研发了包含有壳聚糖和甘油磷酸二钠盐的温度响应水凝胶，该水凝胶在室温状态下位液态，在体温附近成胶，因此可在液体状态下直接注射入所需部位原位成胶。该水凝胶的制备无需使用有机溶剂和交联剂，可降低凝胶的生物毒性并提高其生物相容性，可用于药物递送、眼部组织植入、骨或软骨填充材料并用于组织工程领域。中国人民军事医学科学院基础医学研究所王常勇等研究了一种基于可注射温敏性壳聚糖水凝胶的组织工程产品，将壳聚糖、甘油磷酸钠和羟乙基纤维素混合制备得到可携带促血管生长因子的可注射水凝胶，将水凝胶注射到动物心肌梗死模型特定区域后观察其修复心肌梗死区域的情况，注射携带生长因子的壳聚糖水凝胶的实验组明显提高了血管密度，降低了纤维化程度，存活的心肌数量也有所增加。
4 结束语
壳聚糖水凝胶因其具有的生物相容性、抗菌性、温度响应性、pH相应性在生物医学领域应用广泛，在上述药物释放、医用敷料、组织工程支架领域的研究已经取得了实质性的进展。中国在该领域的研究处于世界领先水平，但在产业化中的推广仍有待加强。
参考文献
[1]舒静，李小静，赵大飙.壳聚糖智能水凝胶研究进展[J].中国塑料，2010，24（9）：6-10.
[2]孔立红，王洋岗，刘本.壳聚糖温敏水凝胶的制备及体外药物释放的研究[J].湖北中草药大学学报，2012，44（6）：24-26.
[3]王玉杰，党奇峰，万辉琴，等.注射型壳聚糖温敏相变复合材料的制备及性能研究[J].功能材料，2014，45（S1）：117-121.
