01 / 导读
导读
引用
Allcock, H. R. (2019). Introduction to Materials Chemistry (2nd ed.). Wiley.
章节概要
第2版约500页，共22章，分为三部分：第一部分"材料化学背景"（第1–5章）、第二部分"不同类型的材料"（第6–13章）和第三部分"先进技术中的材料"（第14–22章）。开篇一章把本书定位为对化学在材料科学中所起作用的入门性、定性的概览，重点在于材料如何被设计、合成、评价和使用。各章分为以字母编号的小节，几乎每章末尾都有延伸阅读和供课堂讨论或写作文章用的思考题。书末有一个术语附录。出版社指出，本版新增了石墨烯、纳米管、发光二极管、极紫外光刻、生物医用材料和金属有机框架等内容。
第1章：什么是材料化学？
本章概述材料的类型、化学的作用、结构与性能的关联、用途、制备新材料的途径以及与技术的接口。本书围绕合成、结构、性能和用途的循环来组织，并把通过加工改进现有材料的做法与在分子层面设计新材料的做法加以对比。
第2章：材料化学的基本原理
本章追问不同材料为何不同，依次讨论不同元素的作用、主要的化学键类型（范德华力、共价键和配位键、氢键、离子组装体、金属键、能带与带隙）、分子单元的大小和形状、超结构以及颜色的来源。
第3章：基础合成与反应化学背景
本章讲元素的分离方法（高温还原、电解、微生物提取、气相沉积）、材料合成技术、反应动力学、分离方法，以及材料化学中最常用的反应类型，从卤化物和氧化物到有机金属化学、交联和聚合–解聚平衡。
第4章：材料科学中常用代表性元素的化学
本章依次评述碳、硅、硼、磷、氮、氧和硫，然后是主族金属、过渡金属以及镧系和锕系元素。
第5章：结构测定与材料表征的专门技术
本章是一份方法目录：体相材料的方法（微量元素分析、红外–拉曼光谱和固体NMR、热分析、应力–应变测试、X射线衍射、折射率、磁化率、电导率、电子显微镜），表面和薄膜的方法（SEM、STM和AFM、XPS、椭圆偏振、接触角），以及溶液的方法（NMR、光散射、凝胶渗透色谱）。
第6–7章：固体中的小分子；多孔固体
第6章讨论小分子如何堆积和自组装，包括由盘状分子形成的液晶和电荷转移配合物。第7章讨论包合物、金属有机框架、沸石、反蛋白石结构和分子印迹。
第8章：陶瓷与无机玻璃
氧化物陶瓷与硅酸盐矿物、黏土与石棉、玻璃（包括派热克斯型玻璃和"大猩猩"玻璃）、光纤与溶胶–凝胶法、钙钛矿、碳化硅和氮化硅等非氧化物陶瓷，以及成型加工。
第9–10章：聚合物：基本方面；聚合物的形态与成型加工
第9章讨论加成聚合、缩合聚合、开环聚合和电化学聚合，结构与性能的关系，从聚乙烯到凯夫拉和环氧树脂的经典聚合物，以及含无机元素的聚合物，如有机硅和聚磷腈。第10章讨论固态（链缠结、微晶性、液晶性）、复合材料与共混物、软物质（弹性体和凝胶），以及直到三维打印的各种成型方法。
第11章：碳基材料
金刚石、碳纤维、玻璃态碳与无定形碳、富勒烯、石墨、石墨烯、碳纳米管和sp³纳米线，并与其他层状和纤维状固体作比较。
第12–13章：金属与合金；超导体
第12章讨论从矿石中提取各种金属、金属与合金的固态结构（堆积、位错、晶界）、腐蚀，以及电学、热学、磁学、光学和力学性能。第13章介绍高温超导体：命名、合成、结构、理论和用途。
第14–16章：半导体基础；光刻与微光刻；半导体器件
半导体原理（带隙、载流子迁移率、掺杂剂）、半导体级硅和化合物半导体的制备，以及聚合物半导体；随后是光刻工艺和光刻胶的化学；然后是器件：晶体管、集成电路与存储器、光伏电池（包括聚合物、钙钛矿和染料电池）、LED、激光器、OLED、成像传感器和量子点。
第17章：光学与光子器件
折射率、色散和双折射，无源器件（透镜、波导、滤光片、偏振片），以及响应性材料：液晶器件、光致变色材料、非线性光学材料和电致变色材料。
第18–19章：能量产生与储存的材料和器件；膜
多种类型的燃料电池、锂离子电池和固态电池、电容器和超级电容器；随后是用于海水淡化、气体分离、透析和药物递送的多孔膜与无孔膜、凝胶膜以及压电式声换能膜。
第20–22章：材料表面科学；生物医用材料；材料科学中的微型化
金属、陶瓷、聚合物和半导体的表面，分子在表面上的组装以及黏附；生物医用金属、陶瓷以及生物稳定型和生物可降解聚合物，及其在心血管、骨科、药物递送和组织工程中的应用；还有纳米结构、自上而下和自下而上的制备方法、纳米颗粒以及分子机器。
核心概念
第一部分：背景（第1–5章）
- 结构–性能关联：把材料的分子结构或固态结构与其性能联系起来，是本书的核心组织思想。
- 带隙：满带与空带之间的能量间隔，决定固体是导体、半导体还是绝缘体。
- 溶胶–凝胶法与气相合成：制备固体和薄膜的低温溶液路线与气相沉积路线。
- 表征技术：用于确定结构和性能的衍射、光谱、热分析、力学和显微方法。
第二部分：材料类型（第6–13章）
- 金属有机框架与沸石：其孔腔能容纳或分离分子的晶态多孔固体。
- 聚合物结构形态：线形、支化、嵌段、星形和网络结构，以及它们如何决定性能。
- 石墨烯与碳纳米管：石墨型碳的单层形式和卷曲形式。
- 位错与晶界：决定金属力学行为的缺陷。
第三部分：先进技术（第14–22章）
- 掺杂与p–n结：用杂质调控半导体导电性，以及二极管、晶体管和太阳能电池赖以工作的结。
- 光刻胶：受光照后溶解性发生变化的聚合物，用于微电路图形化。
- 生物可降解聚合物：能在体内降解的聚合物，用于药物释放和组织支架。
- 自上而下与自下而上制备：通过切削较大物体或通过组装分子来制造纳米结构。
评析
优点
- 从化学家的角度进入材料。 本书在讲任何一类材料之前，先从化学键、合成和各元素的化学讲起，第1章明确地围绕合成、结构、性能和用途来组织这门学科。出版社引用的CHOICE第1版书评（2009年4月）称赞了这条从基本化学原理出发、经过主要材料类别、再到特殊实例的路径。
- 篇幅不大而覆盖极广。 陶瓷、玻璃、聚合物、碳、金属、超导体、半导体、光子学、能源材料、膜、表面、生物材料和纳米结构都各有章节，从而展示了化学如何与其他教材分别讲授的各种技术相联系。
- 内容新颖。 第2版纳入了金属有机框架、石墨烯、sp³纳米线、钙钛矿太阳能电池、固态电池和三维打印。
- 面向讨论的思考题。 每章的思考题都是为课堂讨论或写作文章设计的，每章还附有延伸阅读，适合研讨式教学。
局限
- 有意采取定性写法。 本书自称是定性的概览，思考题是讨论和写作题，而不是数值计算题。需要在晶体学、固体热力学或能带理论方面进行定量练习的学生，需要另一本教材。
- 每类材料都讲得很简略。 约500页容纳22章，有些主题只有几页：超导体和光刻各约十页。本书与其说是某一类材料的教材，不如说是整个领域的地图。
- 没有系统的晶体学。 晶体结构通过金属堆积、衍射方法和具体材料出现，但没有讲晶格、晶胞或空间群的章节。
在课程中的定位
Allcock是本课程书单中覆盖面最广的一本，也是自然的起点。Charles Carraher的 Introduction to Polymer Chemistry 完整展开了Allcock在第9–10章中涉及的聚合物化学，Robert Young和Peter Lovell的 Introduction to Polymers 则补充了作为材料的聚合物的表征、形态和力学行为；对专攻聚合物的学生来说，这两本是后续读物。Anthony West的 Solid State Chemistry and its Applications 是一本讲无机固体结构、合成和性能的本科教材，补充了Allcock只作定性处理的晶体学、缺陷化学和物理性能，是转向陶瓷、金属和电子材料的下一步。
Peter Müller的 Crystal Structure Refinement 是根据衍射数据测定和精修晶体结构的实用指南，只与将要从事衍射工作的学生有关，应在Allcock第5章X射线衍射一节之后很久再读。
如何使用本书
本书适合修读第一门材料化学课程的化学本科生、希望了解化学背景的工程和材料科学专业学生，以及需要概览的工业界科学家（出版社引用的一篇第1版书评称，本书不仅适合新手，对科学家和产业人士也是有价值的资料）。普通化学是必备基础；学一些有机化学有助于阅读聚合物各章，一些无机化学则有助于阅读第3–4章和第8章。
实用的阅读计划：
- 任何课程的核心： 第1–2章（框架与化学键）和第5章（表征方法，后文出现相关技术时随时查阅）。
- 材料类别： 根据课程从第二部分中选读：第8章、第9–10章、第11章和第12章涵盖主要类别；第6–7章和第13章较为专门。
- 技术： 第14章和第16章构成关于半导体与器件的一个单元；第18–22章可以单独布置为课堂报告或写作的题目。
- 参考： 第3–4章最好在后面某章依赖特定合成方法或元素时有选择地阅读。
把思考题用作讨论的引子或短文题目，并顺着延伸阅读深入学习任何一章。由于书中计算很少，当课程要求解题练习时，固体结构方面可配合West，聚合物方面可配合Carraher或Young和Lovell。