01 / 導讀
導讀
引用
Allcock, H. R. (2019). Introduction to Materials Chemistry (2nd ed.). Wiley.
章節概要
第2版約500頁，共22章，分為三部：第一部「材料化學背景」（第1–5章）、第二部「不同類型的材料」（第6–13章）與第三部「先進技術中的材料」（第14–22章）。開篇一章將本書定位為化學在材料科學中所扮演角色的入門性、定性的概覽，重點在材料如何被設計、合成、評估與使用。各章分為以字母編號的小節，幾乎每章末尾都有延伸閱讀，以及供課堂討論或撰寫短文用的思考題。書末有一個術語附錄。出版社指出，本版新增了石墨烯、奈米管、發光二極體、極紫外光微影、生醫材料與金屬有機框架等內容。
第1章：什麼是材料化學？
本章概述材料的類型、化學的角色、結構與性質的關聯、用途、製造新材料的途徑，以及與技術的介面。本書圍繞合成、結構、性質與用途的循環來組織，並將透過加工改良既有材料的做法，與在分子層次設計新材料的做法加以對照。
第2章：材料化學的基本原理
本章探問不同材料為何不同，依序討論不同元素的角色、主要的化學鍵類型（凡得瓦力、共價鍵與配位鍵、氫鍵、離子組裝體、金屬鍵、能帶與能隙）、分子單元的大小與形狀、超結構，以及顏色的來源。
第3章：基礎合成與反應化學背景
本章談元素的分離方法（高溫還原、電解、微生物萃取、氣相沉積）、材料合成技術、反應動力學、分離方法，以及材料化學中最常用的反應類型，從鹵化物與氧化物到有機金屬化學、交聯與聚合–解聚平衡。
第4章：材料科學中常用代表性元素的化學
本章依序評述碳、矽、硼、磷、氮、氧與硫，接著是主族金屬、過渡金屬，以及鑭系與錒系元素。
第5章：結構測定與材料特性分析的專門技術
本章是一份方法清單：塊材的方法（微量元素分析、紅外–拉曼光譜與固態NMR、熱分析、應力–應變測試、X射線繞射、折射率、磁化率、導電度、電子顯微鏡），表面與薄膜的方法（SEM、STM與AFM、XPS、橢圓偏光術、接觸角），以及溶液的方法（NMR、光散射、凝膠滲透層析）。
第6–7章：固體中的小分子；多孔固體
第6章討論小分子如何堆積與自組裝，包括由盤狀分子形成的液晶與電荷轉移錯合物。第7章討論包合物、金屬有機框架、沸石、反蛋白石結構與分子模印。
第8章：陶瓷與無機玻璃
氧化物陶瓷與矽酸鹽礦物、黏土與石綿、玻璃（包括派熱克斯型玻璃與「大猩猩」玻璃）、光纖與溶膠–凝膠法、鈣鈦礦、碳化矽與氮化矽等非氧化物陶瓷，以及成形加工。
第9–10章：高分子：基本面向；高分子的形態與成形加工
第9章討論加成聚合、縮合聚合、開環聚合與電化學聚合，結構與性質的關係，從聚乙烯到克維拉與環氧樹脂的經典高分子，以及含無機元素的高分子，如矽氧樹脂與聚磷腈。第10章討論固態（鏈纏結、微結晶性、液晶性）、複合材料與摻合物、軟物質（彈性體與凝膠），以及直到3D列印的各種成形方法。
第11章：碳基材料
鑽石、碳纖維、玻璃態碳與非晶碳、富勒烯、石墨、石墨烯、奈米碳管與sp³奈米線，並與其他層狀及纖維狀固體比較。
第12–13章：金屬與合金；超導體
第12章討論從礦石中提煉各種金屬、金屬與合金的固態結構（堆積、差排、晶界）、腐蝕，以及電、熱、磁、光學與機械性質。第13章介紹高溫超導體：命名、合成、結構、理論與用途。
第14–16章：半導體基礎；光微影與微影技術；半導體元件
半導體原理（能隙、載子遷移率、摻雜物）、半導體級矽與化合物半導體的製備，以及高分子半導體；接著是微影製程與光阻的化學；然後是元件：電晶體、積體電路與記憶體、太陽電池（包括高分子、鈣鈦礦與染料敏化電池）、LED、雷射、OLED、影像感測器與量子點。
第17章：光學與光子元件
折射率、色散與雙折射，被動元件（透鏡、波導、濾光片、偏光片），以及響應性材料：液晶元件、光致變色材料、非線性光學材料與電致變色材料。
第18–19章：能量產生與儲存的材料與元件；薄膜
多種類型的燃料電池、鋰離子電池與固態電池、電容器與超級電容器；接著是用於海水淡化、氣體分離、透析與藥物傳輸的多孔膜與無孔膜、凝膠膜，以及壓電式聲波換能膜。
第20–22章：材料表面科學；生醫材料；材料科學中的微型化
金屬、陶瓷、高分子與半導體的表面，分子在表面上的組裝以及黏著；生醫用金屬、陶瓷以及生物穩定型與生物可分解高分子，及其在心血管、骨科、藥物傳輸與組織工程上的應用；還有奈米結構、由上而下與由下而上的製備方式、奈米粒子以及分子機器。
核心概念
第一部：背景（第1–5章）
- 結構–性質關聯：將材料的分子結構或固態結構與其性質連結起來，是本書的核心組織概念。
- 能隙：填滿的能帶與空能帶之間的能量差，決定固體是導體、半導體還是絕緣體。
- 溶膠–凝膠法與氣相合成：製備固體與薄膜的低溫溶液途徑與氣相沉積途徑。
- 特性分析技術：用於確定結構與性質的繞射、光譜、熱分析、力學與顯微方法。
第二部：材料類型（第6–13章）
- 金屬有機框架與沸石：孔洞能容納或分離分子的結晶性多孔固體。
- 高分子結構形態：線形、分支、嵌段、星形與網狀結構，以及它們如何決定性質。
- 石墨烯與奈米碳管：石墨型碳的單層形式與捲曲形式。
- 差排與晶界：決定金屬力學行為的缺陷。
第三部：先進技術（第14–22章）
- 摻雜與p–n接面：以雜質調控半導體導電性，以及二極體、電晶體與太陽電池賴以運作的接面。
- 光阻：照光後溶解度改變的高分子，用於微電路的圖案化。
- 生物可分解高分子：可在體內分解的高分子，用於藥物釋放與組織支架。
- 由上而下與由下而上的製備：透過切削較大物體或組裝分子來製造奈米結構。
評析
優點
- 從化學家的角度進入材料。 本書在談任何一類材料之前，先從化學鍵、合成與各元素的化學談起，第1章明確地圍繞合成、結構、性質與用途來組織這門學科。出版社引用的CHOICE第1版書評（2009年4月）肯定了這條從基本化學原理出發、經過主要材料類別、再到特殊實例的路徑。
- 篇幅不大而涵蓋極廣。 陶瓷、玻璃、高分子、碳、金屬、超導體、半導體、光子學、能源材料、薄膜、表面、生醫材料與奈米結構都各有章節，因此能呈現化學如何與其他教科書分開講授的各種技術相連結。
- 內容新穎。 第2版納入了金屬有機框架、石墨烯、sp³奈米線、鈣鈦礦太陽電池、固態電池與3D列印。
- 以討論為導向的思考題。 每章的思考題都是為課堂討論或撰寫短文而設計，每章也附有延伸閱讀，適合研討式教學。
局限
- 刻意採取定性寫法。 本書自稱是定性的概覽，思考題是討論與寫作題，而非數值計算題。需要在晶體學、固體熱力學或能帶理論方面做定量練習的學生，需要另一本教科書。
- 每類材料都談得很簡略。 約500頁容納22章，有些主題只有幾頁：超導體與光微影各約十頁。本書與其說是某一類材料的教科書，不如說是整個領域的地圖。
- 沒有系統性的晶體學。 晶體結構透過金屬堆積、繞射方法與個別材料出現，但沒有談晶格、單位晶胞或空間群的章節。
在課程中的定位
Allcock是本課程書單中涵蓋面最廣的一本，也是自然的起點。Charles Carraher的 Introduction to Polymer Chemistry 完整展開Allcock在第9–10章觸及的高分子化學，Robert Young與Peter Lovell的 Introduction to Polymers 則補充了作為材料的高分子之特性分析、形態與力學行為；對專攻高分子的學生而言，這兩本是後續讀物。Anthony West的 Solid State Chemistry and its Applications 是一本談無機固體結構、合成與性質的大學部教科書，補足Allcock只作定性處理的晶體學、缺陷化學與物理性質，是轉向陶瓷、金屬與電子材料的下一步。
Peter Müller的 Crystal Structure Refinement 是從繞射數據測定並精算晶體結構的實用指南，只與將從事繞射工作的學生有關，應在Allcock第5章X射線繞射一節之後許久再讀。
如何使用本書
本書適合修習第一門材料化學課程的化學系大學部學生、希望了解化學背景的工程與材料科學系學生，以及需要概覽的產業界科學家（出版社引用的一篇第1版書評表示，本書不僅適合新手，對科學家與產業人士也是有價值的資源）。普通化學是必備基礎；具備一些有機化學有助於閱讀高分子各章，一些無機化學則有助於閱讀第3–4章與第8章。
實用的閱讀計畫：
- 任何課程的核心： 第1–2章（架構與化學鍵）與第5章（特性分析方法，後文出現相關技術時隨時查閱）。
- 材料類別： 依課程從第二部中選讀：第8章、第9–10章、第11章與第12章涵蓋主要類別；第6–7章與第13章較為專門。
- 技術： 第14章與第16章構成關於半導體與元件的一個單元；第18–22章可個別指定為課堂報告或寫作的題目。
- 參考： 第3–4章最好在後面某章依賴特定合成方法或元素時有選擇地閱讀。
將思考題用作討論的引子或短文題目，並循著延伸閱讀深入任何一章。由於書中計算很少，當課程要求解題練習時，固體結構方面可搭配West，高分子方面可搭配Carraher或Young與Lovell。