北大微讲堂：走进分子世界——从分子磁性谈起 - (EPUB全文下载)

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谢谢王仰麟老师热情洋溢的介绍，坦率地说给我很大压力。其实我们整个世界都是由分子组成的，所以我用今天这样的题目“走进分子世界”。我主要是想借这两节课和大家谈一些自己对化学的认识，谈一些自己对化学研究的体会，另外介绍一些关于化学学科发展的观点。因为我本人是研究分子磁性的，所以我想从以下三个方面来谈：一方面从分子磁性的角度来谈对化学以及化学研究的认识；然后我们再谈谈化学的前沿和疆域包括什么，着重讨论一下化学的核心内容是什么；最后简单地向大家介绍一下北京大学化学教育和研究一百年的情况。
在第一部分分子磁性方面，我主要想讨论两个问题，一是候鸟的飞行是否由“分子指南针”来定位？二是单个的分子可以成为磁体吗？首先，我想从指南针谈起，向大家介绍一下最近在生物研究中比较热的一个领域，就是在候鸟的导航过程中是否利用了分子指南，这并不是我研究的领域，但是一个非常有意义的问题，是一个化学、物理和生物交叉的一个方向；然后向大家介绍一下我自己研究的领域，就是单个分子是否可以成为磁体。
提到指南针，我们都很熟悉。大家都知道中国古代最早称之为司南，但司南是什么材料制成的呢？当时人们做司南的材料是磁铁矿，它的主要成分是铁的一种氧化物，四氧化三铁，这个化合物大家应该非常熟悉。最早有文字记载的指南针是北宋的沈括在他的《梦溪笔谈》中提到的，他说这种铁的氧化物被磨成针状就可以指南，并且准确地记录了地磁偏角。磁铁矿很早在希腊也被发现了，古希腊的哲学家泰勒斯曾经描述这种矿石为“灵魂之石”。泰勒斯是古希腊的七贤之一，他的著名学说之一是万物都是从水而来。磁铁矿是人类发现最早的磁性材料，近些年来，纳米科学和纳米材料有了极大的发展，人们制备了各种形貌的四氧化三铁纳米晶。其实，在一些细菌的体内也发现了规则排列的四氧化三铁纳米晶，刚才我提到的有些动物可以确定方向，一种学说就是认为动物的体内有这种磁性的物质，对于地磁场有感应。
四氧化三铁的晶体外形是规则的八面体，但这种物质在化学的结构上是怎样的呢？它具有反尖晶石的结构。其实我们并不需要了解很具体的结构，但我们知道这里面同时包含三价铁和二价铁，但处在不同的位置，并且这两个位置上的磁性离子的磁矩是相反的，如果 A 位置的磁矩是朝上的，那么 B 位置的磁矩就是朝下的。在结构中有两个朝上的磁矩和一个朝下的磁矩，其作用的结果就是三者的矢量加和。这样的磁结构就是，一个亚晶格中，磁矩的取向朝上，另外一个亚晶格中磁矩朝下，但因为两者大小不同，它们作用的结果是有剩余磁矩的，这类磁体我们叫它亚铁磁体。四氧化三铁这个亚铁磁体在 580 摄氏度以下的磁矩是有序排列的，所以在室温我们就可以观测到，它能够强的吸引别的磁性物体。
其实，世界上所有的物质从某种意义上讲都是磁的（magnetic），所有的物质对磁场的响应可以分为两种，一种是磁场对其有吸引的作用，另一种是排斥的作用。刚才讲到的磁场对四氧化三铁就有强的吸引作用，而磁场对很多顺磁的物质则有弱的吸引作用。我们通常意义上讲的磁体是指磁有序的材料，也就是说在某一个温度以下材料中所有的磁矩都是有序的排列，这个时候我们称之为磁体。这是我们讲的狭义上的磁体，但是刚才我们说所有的物质要么对磁场有吸引作用，要么有排斥作用。最典型的排斥作用应该是超导体，大家知道磁悬浮列车，这是一种对磁场排斥作用的极端的情况，超导体对磁场是有很强的排斥作用。世界上大部分的物质是抗磁的，对磁场有弱的排斥作用，如果将一个青蛙放在一个场强大约是 20 T 的磁场中，强磁场就可以把青蛙浮起来。两位英国物理学家在1997 年进行了这个实验，他们还进行了理论计算，恰好能平衡重力的空间是一个很小的区域，磁场对它的排斥作用可以恰好平衡其重力，这个工作在 2000 年获得了“搞笑诺贝尔奖”，这个诺贝尔奖的得主之一是 Geim ，他在今年（2010年）因为石墨烯的工作获得了诺贝尔物理学奖，他们使用胶带去撕石墨得到石墨烯，实际上这样的事情在世界上有很多人在做，他们为了得到干净的表面，但是 Geim 得到的是单层的。
刚才我们介绍了四氧化三铁的磁结构（亚铁磁），实际上现有的磁性材料还有其他的磁有序类型，如果材料中所有的磁矩都向同一个方向排列，就是铁磁体；如果是一半朝上一半朝下，磁矩完全抵消掉，就是反铁磁体；还有一类相邻的是反铁磁的相互作用，但磁矩不是平行的排列，而是有一个角度，根据磁矩的矢量加和，得到一个剩余磁矩，在有序温度以下其磁性表现和铁磁体是相似的。磁有序的材料常常有三个特征：它们能够产生一个磁场，能够表现出自发磁化，并且磁有序行为需要在某一个临界温度以下表现出来，在临界温度以上是顺磁行为。自发磁化是指不加磁场或者很小的磁场就能够使物质磁化。我们以前也许见过磁滞回线，这种回线可以描述磁体的软和硬特征。现在工业商用的最多的稀土永磁材料钕铁硼，这种磁体的磁滞回线是比较方形的，比较胖，这种磁体是硬磁体，磁化之后磁场退到零，还能保持很高的磁矩（剩磁），如果加了反向的很大的场，才能使磁矩退到零，这个场我们叫做矫顽力。如果这个回线是一个很瘦的形状或者根本没有 loop ，这种磁体就是软磁体，它们各有不同的用途，铁的一些氧化物常常表现出软磁的行为。
迄今为止，元素周期表上所有的元素，只有四种元素的单质在室温或室温以上能够表现出铁磁有序行为，它们是铁、钴、镍和钆。我们目前用的磁性材料大都是它们的化合物，如铁、铬的氧化物或稀土的金属间化合物。大家知道，铁-铬-铁的金属多层膜表现出的巨磁阻效应，相关工作获得了2007 年诺贝尔物理学奖。巨磁阻效应就是指磁性材料的电阻会在磁场下变化，和不加磁场的时候相比较有很大的变化，这就可以作为磁存储的材料。这个现象在 1987 到1989 年的时候在实验室被发现，很快被应用到计算机领域中硬盘的高密度存储。
前面讲的一些内容，从第一个磁石到后来讲到的金属间化合物都是原子基的磁体，在我们生活中的应用比较广泛，比如电机、汽车中都需要。最近我们国家发展比较快的风力发电， ............

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