大国院士 - 第240章 化学的未来

    第240章 化学的未来
    碳酸乙烯，别名碳酸乙烯酯、1，3-二氧戊环-2-酮、1，3-二氧杂环戊酮碳酸乙烯酯.
    其化学分子式是‘c3h4o3’，室温时为结晶固体，但当温度大于35c时则变成透明无色液体。是一种性能优良的有机溶剂，可溶解多种聚合物。用于化肥、纤维、制药及有机合成等行业。
    作为一名材料科研人员，徐川对于碳酸乙烯这种化合物有着一些了解，不过不算很多。
    毕竟他上辈子的材料研究主要集中在物理材料方面，而碳酸乙烯属于化学材料的范畴。
    不过对他来说，了解一种材料的性质，并寻找到另一种能控制它的添加剂，并不是很难的事情。
    万物相生相克，材料也一样。
    不同的材料有着不同的化学性质和物理性质，分子与分子之间的交融，在无序中寻找有序，在纷繁复杂中寻找简单和美，或毁灭、或新生。
    譬如非晶合金材料，看起来坚硬无比，然而它没有绝对的有序，在永不停歇的流动中，就如梵高的《星空》一种，你仔细看，它在看似不动中永动。
    这正是材料学的魅力。
    “碳酸乙烯：分子式为c3h4o3，分子结构中摩尔折射率为17.17，表面张力为37.3，偶极距为10-cm3，极化率6.80”
    “氢键供体数量:0、氢键受体数量:3、可旋转化学键数量:0、互变异构体数量:无、拓扑分子极性表面积35.5、共价键单元数量:1”
    “能与40c以上的热水、醇、苯、氯仿、乙酸乙酯、乙酸等物品混溶。在干燥的醚、二硫化碳、四氯化碳、石油醚等中难溶”
    实验室中，徐川一点一点的将有关于的碳酸乙烯的资料全都罗列出来。
    无论是它的化学物理性质，亦或者是以往的各种研究。
    这些东西对于寻找控制碳酸乙烯的材料有着很大的帮助。
    其实寻找一种控制碳酸乙烯的材料，他完全可以去找其他的化学研究员帮忙。
    以那些常年沉浸于此道的化学材料研究员来说，找出数种符合要求的材料并不是什么太难的事情。
    不过徐川有另外的想法，他想尝试一下，看看数学，能不能融入到材料学计算中去。
    正如此其他人猜测他研发抗核辐射材料和锂电池材料依靠的是强大的数学能力一样。
    只有他自己才知道并不是。
    而今天，徐川想的就是踏出这一步，利用数学来帮助自己完成这项工作。
    对于化学反应来说，在课本上是一行行的化学公式变换，在实验室中，是旧化学键的断裂和新化学键的形成。
    比如氧化还原反应的本质是原子核外电子的得失，原子本身的结构发生改变。
    而复分解反应的本质是原子重排，即多个原子的排列组合方式发生变化。
    但实际上，它更深层的本质，是电子云的流动。
    判断一个化学反应是否能发生，要从热力学、动力学、焓变、熵变、自由能（gibbs自由能）、活化能等各方面来确认。
    其实严格来说，目前化学的发展并不完善。
    因为我们很多时候就连最简单的化学反应都没法用理论解释清楚，所以很多理论都是唯象的。
    如果循着化学的解释链回溯，最终还是会归于物理学的解释上。
    因此物理学才是自然科学中最基础的学科（数学不是自然学科！）。
    很多人误以为化学才是最基础的，是因为像化学键本质上说一种电性作用，属于四大基本力中的电磁相互作用。化学反应的进行也跟分子的运动，碰撞有关。
    当然，化学的潜力很深，有着深挖的巨大价值。
    而如果从化学的深层本质来看，数学毫无疑问是可以应用上的。
    比如最常见的化学反应速率，就可以通过微积分方程来描述。数学方程可以使用数值方法求解，以确定反应速率常数和其他参数。
    比如使用波函数理论、群论等来描述电子结构和反应机制。
    亦或者分子动力学模拟，通过一种计算机数学来仿真研究物质运动规律。涉及到大量微积分、概率统计以及优化算法等方面的知识。
    此外，还有热力学、分析化学等各方面的东西，都可以通过数学来进行。
    从理论上来说，如果知晓了需要进行化学反应的材料相关信息与条件，是完全可以通过数学来模拟整个反应的全过程的。
    这听起来很不可思议，但理论可行。
    当然，实际上这是一件不可能的事情，至少现在是不可能的。
    而徐川想做的，就是朝着这件不可能的事情去尝试迈出第一步。
    碳酸乙烯，就是一个很好的试验目标。
    “考虑电解液使用的高分子溶剂和正负极材料，用于控制碳酸乙烯的添加剂的可选范围并不算很多。”
    “碱类化合物与醇类化合物大部分基本都可以排除，这些化合物会与碳酸乙烯反应后生成各种对电池有害的物质，腐蚀正负极不说，还无法循环。”
    “那么剩下的可选性并不算很多，酮类、氟化类、环类部分材料可以考虑进行。”
    “再根据可逆性条件进行筛选，以羰基与两个烃基相连的酮类化合物是个不错的选择。”
    “不过酮类的范围还是太大了，得收缩一下.”
    实验室中，徐川一个人喃喃自语个不停，手中的圆珠笔也在a4稿纸上不断的记录着一项项的数据。
    他在依据一些基础的化学反应来先对可用添加剂做一个大致的筛选，然后再来通过数学进行反应模拟和挑选。
    这是条很有挑战的路，虽然并非无人踏及，但开拓的并不深；那看得到尽头的小路，未知的迷雾中荆棘丛生，需要一个人鼓起勇气前进。
    好在，他从来都不缺少探索和直面困难的勇气。
    实验室中，徐川不断的完善着自己的理论与数据。
    另一边，针对新型人工sei薄膜的以及碳酸乙烯含量的测试也在不断的进行中。
    时间一眨眼就过去了五六天。
    当徐川依旧还在寻找适合的材料时，川海材料实验室这边的测试已经基本都做完了。
    “樊主管，这是这些天的实验和测试数据，从这些天的实验来看，如果在不改变其他材料与添加剂的情况下，碳酸乙烯的含量降低到原有基础的67.3%左右是最合适的一个数字。”
    实验室中，原本负责人工sei薄膜研究的正式研究员于振递过来厚厚的一碟报告材料。
    樊鹏越点了点头，伸手接过：“辛苦你们了。”
    于振摇了摇头，回道：“说来惭愧，这次有关锂电池材料的研发，我们根本就没起到什么作用。”
    “从最开始的理论和实验过程，到后面人工sei薄膜问题的解决，以及碳酸乙烯干扰锂枝晶和析锂问题的发现，全都是老板搞定的。”
    “我们只不过是按照他的要求进行了实验罢了，这种实验，随便换一个做过锂电池实验的硕士生来，都能搞定。”
    闻言，樊鹏越也有所感叹了起来。
    “他的确变态，以二十一岁的年龄同时拿到数学界和物理界的最高荣耀，这已经不是和我们一个世界的人了。”
    “相信无论在哪一个行业领域，他都能展现最可怕的能力。”
    顿了顿，樊鹏越接着道：“你知道吗？我曾经还在读博的时候，跟随我的导师做一个二硒化钨材料项目，遇到了一个难题，差点让我的导师放弃那个项目。”
    “后面这位小师弟不仅帮忙搞定了这个难题，还利用数学发现了难题的根本原因，并找出了解决办法。”
    “而那一个项目，出的成果价值几十亿米金！”
    “更关键的是，当时他还在读大一。”
    听到这话，于振倒吸了口凉气。
    樊鹏越的导师是谁，他是知道的。
    毕竟时间已经过去了好几个月了，平常的一些聊天交谈什么的，也足够大家互相了解了。
    不仅仅是他们的老板，眼前的这位空降的主管其实也不差。一位科学院院士的弟子，这人际关系和地位，不是他们这些人能比的。
    而一位院士都差点放弃的项目，想必遇到的难题是致命的。
    尽管知道诺贝尔奖菲尔兹奖双奖得主和他们不是一个世界的人，但大一的时候，就能参与进一个成果价值几十亿米金的项目，还能解决致命的难题。
    这天赋，已经没法形容了。
    不过回头想想，于振又突然觉得合理了。
    如果不是这般妖孽，又怎能解决院士都无法解决的难题，又在二十一岁的年龄拿到诺贝尔奖与菲尔兹奖？这可是学术界最权威的两个奖项。
    虽然震惊，不过这份数学能力也让于振有些好奇。
    他忍不住问道：“伱说，数学学的好，真就那么厉害吗？材料这种很难应用上的数学的领域，也能通过数学解决？”
    听到这个问题，樊鹏越沉默了一下，想了想后，有些迷茫的回道：“不知道。或许对他而言是的？”
    顿了顿，他又谨慎的补了一句：“不过我从未在其他数学教授上看到过这种层次的数学应用。”
    “可能他比较特别吧。”
    另一边，办公室中，徐川匍匐在桌前，手中的圆珠笔在不停的写动着。
    “.ec，(c) dec，(d) dmc，(e) emc，(f) ec/dec = 1/1，(g) ec/dmc = 1/1，.(j) eco/emc = 1/2。”
    “.”
    盯着稿纸上的数据，徐川陷入了沉思。
    “从数据来看，甲乙酮是种还不错选择，按照化学性质进行推测，它能起到一定的抑制碳酸乙烯的作用。”
    “众所周知，碳酸乙烯之所以在锂离子电池中起到极大的提升作用的原因在于它可以与li+通过溶剂化作用形成紧密有序的li+-ec溶剂化构型，从而使含ec的电解液在循环过程中更为稳定。”
    “而由于‘li+-碳酸乙烯溶剂’构型相较于其他溶剂化锂离子，如碳酸甲乙酯等材料来说具有更高的稳定性，因而在电解液中添加‘li+-碳酸乙烯溶剂’组分后，可以明显改善电池的循环性能和电压极化现象。”
    “这不仅提高电解液的稳定性，同时，碳酸乙烯酯的还原产物有助于形成稳定的固体电解液界面膜，使得电解液在循环过程中更为稳定。”
    “而甲乙酮能在里面，通过锂离子沉积/脱出行为，从而在一定程度上削弱负极的析锂现象。”
    “至于具体情况还需要进行实验，毕竟推算的数据和实际应用肯定有一些差别。”
    想着，徐川又摇了摇头，看着桌上的稿纸长舒了口气。
    这些天来，他放掉了其他的项目，集中精力研究这个问题，要说进度，的确有一些进度，但不多。
    截止到现在，他也只不过找出来了一种可能适合的材料。
    他小看了化学反应中可能会产生的各种连带现象。这些东西计算起来能累死个人。
    “或许，我应该弄个数学模型出来？”
    脑海中，徐川将想法转到了另一方面。
    一个数学模型，虽然不能准确地预测未经实验的材料样品的各项性能以及可能诞生的化学连带现象，但却可以为使用者提供一定的参考。
    比如从概率意义上缩小实验范围什么的。
    很早之前，他还在大一的时候，就为他的导师陈正平做过一个有关二硒化钨材料项目的数学模型，进而迅速帮忙找到了实验过程中的问题，锁定了最佳还原物的浓度。
    可以说，在材料的研发过程中，一个数学模型的作用还是很大的。
    只是，他现在根本就没那么多的时间去做这个东西。
    针对化学材料研究的数学模型，要做出来应该可以，但难度方面，绝对比他以前给导师陈正平做的那个要大很多。
    甚至可以说是一个天一个地。
    毕竟二硒化钨材料项目那个，针对仅仅是一种材料而已，即便是有还原剂、温度、气压什么的条件，也不算很复杂。
    但化学这个不同的，这种针对化学材料探索的数学模型，复杂度简直突破天际了。
    哪怕是他带上一个十几人的团队进行编写，可能也需要好几个月的时间。
    当然，如果成功的话，可以给他以后的化学实验带来极大的便利。
    (本章完)