本研課程一體化教學(xué)助力理解物理化學(xué)課程難點(diǎn)
——以計(jì)算化學(xué)研究表面吸附過程為例

＊周欣 王茗倩 果崇申* 趙美玉 顏美 韓曉軍

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院 黑龍江 150001 2.黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公共教學(xué)部 黑龍江 150025）

我國高等教育要立足中華民族偉大復(fù)興戰(zhàn)略全局和世界百年未有之大變局，心懷“國之大者”，把握大勢，敢于擔(dān)當(dāng)，善于作為，為服務(wù)國家富強(qiáng)、民族復(fù)興、人民幸福貢獻(xiàn)力量[1]。傳播知識(shí)是大學(xué)最最重要的任務(wù)之一，并且希望學(xué)生能運(yùn)用知識(shí)解決經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、政治等方面的問題。“重大原始創(chuàng)新成果往往萌發(fā)于深厚的基礎(chǔ)研究，產(chǎn)生于學(xué)科交叉領(lǐng)域，大學(xué)在這兩方面具有天然優(yōu)勢。要保持對(duì)基礎(chǔ)研究的持續(xù)投入，鼓勵(lì)自由探索，敢于質(zhì)疑現(xiàn)有理論，勇于開拓新的方向”[1]。

哈工大化學(xué)專業(yè)旨在培養(yǎng)以化學(xué)理論基礎(chǔ)扎實(shí)、具有創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力及國際視野的高素質(zhì)化學(xué)專業(yè)人才。化學(xué)專業(yè)擁有一流的教學(xué)和科研條件，在人才培養(yǎng)方面注重培養(yǎng)學(xué)生掌握扎實(shí)的學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)和解決實(shí)際問題的能力。主要科研方向凝練為：功能性納米材料的設(shè)計(jì)合成及在環(huán)境、能源、生命領(lǐng)域的應(yīng)用；綠色化學(xué)合成及催化；化學(xué)反應(yīng)過程的理論模擬等。本專業(yè)方向注重培養(yǎng)學(xué)生掌握扎實(shí)的學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)和解決工程實(shí)際問題的能力。

1.物理化學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀

物理化學(xué)是現(xiàn)代生命科學(xué)、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，在資源的有效開發(fā)利用、環(huán)境保護(hù)與治理、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展、人口與健康和人類安全、高新材料的開發(fā)和應(yīng)用等方面也做出了卓越的貢獻(xiàn)。哈工大化學(xué)系本科生專業(yè)主干課程就包括物理化學(xué)。隨著科學(xué)的迅速發(fā)展和各門學(xué)科之間的相互滲透，物理化學(xué)與物理學(xué)、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)之間存在著越來越多的相互重疊的新領(lǐng)域[2-3]。哈工大化工與化學(xué)學(xué)院遵循人才培養(yǎng)規(guī)律將本研課程打通，培養(yǎng)新工科理念下的學(xué)科交叉型高級(jí)專業(yè)人才，鼓勵(lì)本科生選修學(xué)習(xí)研究生課程內(nèi)容，如有趣的計(jì)算化學(xué)、DFT春季創(chuàng)新課程等。此外我?；瘜W(xué)系在研究生階段開設(shè)了量子化學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)模擬、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、群論、物理化學(xué)前沿、高等物化、密度泛函理論、計(jì)算化學(xué)等多門課程，為推動(dòng)本研貫通，幫助學(xué)生深化理解物理化學(xué)知識(shí)，全面打通學(xué)生成長成才的通道。

物理化學(xué)是從物質(zhì)的物理現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象的聯(lián)系入手，來探求化學(xué)變化基本規(guī)律的一門科學(xué)，它所擔(dān)負(fù)的主要任務(wù)是探討和解決下列幾個(gè)方面的問題：（1）化學(xué)變化的方向和限度問題。（2）化學(xué)反應(yīng)的速率、機(jī)理問題。（3）物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。三個(gè)方面的問題往往相互聯(lián)系制約。物理化學(xué)課程內(nèi)容有很多抽象的定理、公式，學(xué)生們往往很難真正理解掌握要義，更別說在科研和實(shí)際生活中加以應(yīng)用。

接下來將用實(shí)例闡述計(jì)算化學(xué)課程對(duì)于幫助學(xué)生理解抽象物化知識(shí)的重要性。

2.課程實(shí)例

(1)時(shí)代背景

大學(xué)生應(yīng)該拿什么來提升自己的“學(xué)力”？掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)無疑是一個(gè)最佳的途徑。在科技發(fā)展日新月異的今天，應(yīng)用領(lǐng)域里很多看似高深的技術(shù)在幾年后就會(huì)被新的技術(shù)或工具取代。只有對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)深入理解才可以受用終身。此外，如果沒有打下良好的基礎(chǔ)，大學(xué)生們很難真正理解高深的應(yīng)用技術(shù)[4-6]。

目前全世界處于病毒肆虐的特殊時(shí)期，病毒主要通過呼吸道飛沫傳播，而口罩是阻礙病毒傳播的有效防護(hù)用具，在高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，病人、醫(yī)生、甚至普通民眾都普遍使用一次性醫(yī)用口罩。中國航發(fā)航材院日前研發(fā)出石墨烯口罩（正在試驗(yàn)階段，尚未市場化），性能優(yōu)于普通熔噴布口罩，可能抗擊肆虐的病毒，為人類提供更好的保護(hù)。

石墨烯口罩是在構(gòu)成普通口罩的紡粘無紡布之間的關(guān)鍵過濾層中，創(chuàng)新應(yīng)用了新型石墨烯聚丙烯熔噴布材料而形成的新型防護(hù)口罩。高品質(zhì)的口罩之所以能有效阻隔病毒，最關(guān)鍵的材料是采用了熔噴無紡布[7]。這種熔噴無紡布由聚丙烯制造而成，是一種超細(xì)靜電纖維，最大的特點(diǎn)是經(jīng)過駐極處理后，會(huì)擁有靜電吸附能力。呼吸的氣流通過無紡布時(shí)，空氣正常通過，而所有的粉塵和含毒飛沫，全部被靜電吸附[7]。

石墨烯自2004年首次成功分離以來，以其蜂窩狀的二維結(jié)構(gòu)和廣泛的有趣特性，一直受到材料科學(xué)家的深入研究[8-9]。石墨烯的結(jié)構(gòu)雖然簡單，但性質(zhì)和功能卻不簡單，因而在碩士研究生期間，學(xué)生們有極大的概率接觸石墨烯類材料。接下來將以石墨烯上吸附氣體的實(shí)例為載體，展開本研課程一體化教學(xué)助力理解物理化學(xué)課程難點(diǎn)的探究。

(2)本研課程打通

物理化學(xué)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，教學(xué)時(shí)應(yīng)注意知識(shí)點(diǎn)之間的銜接[10]。要理解新聞報(bào)道中石墨烯口罩的科學(xué)原理，必須深刻理解物理化學(xué)第十三章中固體表面的吸附知識(shí)。

學(xué)生們在無機(jī)化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)中可以知道石墨烯中C原子采用sp2雜化軌道，彼此之間以σ單鍵連接在一起，每個(gè)碳原子周圍形成3個(gè)σ單鍵，鍵角120°，每個(gè)碳原子還有一個(gè)2pz軌道，由一個(gè)2p電子占據(jù)，這些2pz軌道都垂直于sp2雜化軌道的平面，且互相平行，形成大Π鍵[11]。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，那么石墨烯的這種結(jié)構(gòu)如何使得它有那么多神奇的性質(zhì)呢？這就需要聯(lián)系到物理化學(xué)下冊的知識(shí)。

在學(xué)習(xí)物化中固體表面的吸附時(shí)，可得知按照吸附質(zhì)和吸附劑相互作用的性質(zhì)，可以將固體表面吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附兩大類。物理吸附過程不發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，吸附質(zhì)分子依靠范德華力作用而吸附在吸附劑表面上，吸附無選擇性，吸附熱接近于氣體液化熱，吸附溫度低，幾乎不需要活化能，既可能是單分子層吸附又可能是多分子層吸附，吸附速度快且不穩(wěn)定?；瘜W(xué)吸附時(shí)，吸附質(zhì)和吸附劑之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，吸附熱接近化學(xué)鍵生成熱，吸附需要相當(dāng)高的活化能，吸附有選擇性且很穩(wěn)定，是單分子層吸附，隨著溫度升高吸附速度加快。對(duì)用于氣相反應(yīng)的固體催化劑，氣相反應(yīng)物分子在催化劑表面的吸附最好是中等強(qiáng)度的，吸附太弱達(dá)不到活化目的，吸附太強(qiáng)將永久占有活性位繼而成為毒物[12]。

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，實(shí)驗(yàn)課在本科及研究生的課程安排中必不可少，實(shí)驗(yàn)探究的直觀性與科學(xué)性使得學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有了形象認(rèn)知，本科生的有機(jī)實(shí)驗(yàn)、無機(jī)實(shí)驗(yàn)等大多涉及制備合成、現(xiàn)象觀察、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范及儀器原理的學(xué)習(xí)。然而，物理化學(xué)中的部分抽象難懂知識(shí)，在大學(xué)生的傳統(tǒng)認(rèn)知里是無法通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究證實(shí)的，很多知識(shí)只是停留在理論層面，這可能是學(xué)生吸收物化知識(shí)的一大阻礙。將碩士研究生耳熟能詳?shù)睦碚撚?jì)算知識(shí)，融入到本科物理化學(xué)教學(xué)中，或許有絕妙效果。

化學(xué)系的本科生可以選修神奇的計(jì)算化學(xué)、DFT創(chuàng)新性課程，這些課程富有特色的將理論知識(shí)和實(shí)踐操作相結(jié)合，學(xué)生可以在密度泛函理論的基礎(chǔ)上展開第一性原理計(jì)算體會(huì)原子級(jí)別的實(shí)驗(yàn)。防護(hù)口罩的主要作用就是隔離污染物，不同材質(zhì)的隔離效果有所不同，石墨烯材料加入口罩中為什么會(huì)有神奇的功效呢？很大一部分學(xué)生就會(huì)自然將其聯(lián)系到物理化學(xué)課程中物理吸附與化學(xué)吸附的知識(shí)點(diǎn)，在傳統(tǒng)課堂上，學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)只停留在字面的了解與認(rèn)識(shí)，存在抽象難懂的問題。將計(jì)算化學(xué)課程內(nèi)容滲透到本科教學(xué)中，這一問題或許可以得到圓滿解決，學(xué)生首先可以采用專業(yè)建模軟件Materials Studio進(jìn)行石墨烯模型的構(gòu)建，如圖1所示，學(xué)生可以在軟件中查看石墨烯各個(gè)角度的結(jié)構(gòu)，查看原子之間的鍵長鍵角，對(duì)石墨烯的結(jié)構(gòu)有更全面形象的認(rèn)識(shí)。

圖1 石墨烯超胞結(jié)構(gòu)俯視圖

對(duì)于物理吸附和化學(xué)吸附的區(qū)別，教師可引導(dǎo)學(xué)生嘗試通過理論計(jì)算探究石墨烯對(duì)于常見氣體分子如CO是物理吸附還是化學(xué)吸附。首先將建立好的石墨烯結(jié)構(gòu)和CO分子分別進(jìn)行優(yōu)化，得到二者最穩(wěn)定的能量，然后將CO分子放置在石墨烯上不同的位點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，如圖2中CO分子的初始放置方式可以是垂直于石墨烯表面或者是平行于石墨烯表面，CO分子的O端或者C端都有可能靠近石墨烯表面。在學(xué)習(xí)吸附知識(shí)時(shí)，學(xué)生知道物理吸附和化學(xué)吸附的一大區(qū)別就是是否有化學(xué)鍵生成，即吸附質(zhì)與吸附劑的相互作用究竟是強(qiáng)還是弱。如圖3根據(jù)吸附能計(jì)算結(jié)果和最穩(wěn)定吸附模型中CO距離石墨烯的距離遠(yuǎn)近，可以初步粗略判斷石墨烯對(duì)于CO的吸附較弱。

圖2 CO分子在石墨烯上不同的吸附位點(diǎn)

圖3 CO在石墨烯上最穩(wěn)定的吸附狀態(tài)

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，為了更嚴(yán)謹(jǐn)考慮問題，探尋吸附氣體前后，材料究竟有何變化，學(xué)生可以對(duì)吸附前后的材料模型進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算，最典型的就是態(tài)密度的計(jì)算，態(tài)密度表示單位能量范圍內(nèi)（E～E+ΔE）的電子數(shù)目，從態(tài)密度（DOS）圖中可以得到很多信息，例如成鍵信息、價(jià)帶寬度、導(dǎo)帶寬度、每個(gè)軌道對(duì)于總的態(tài)密度的貢獻(xiàn)等。態(tài)密度可以說是在第一性原理計(jì)算當(dāng)中相當(dāng)重要的概念之一，不論是對(duì)于光電催化材料、半導(dǎo)體材料、凝聚態(tài)物理，所有的分析都離不開DOS，本科生可以通過對(duì)簡單的態(tài)密度分析對(duì)所學(xué)化學(xué)知識(shí)有更深層次的理解，多層次多角度探究證實(shí)這一微觀級(jí)別的實(shí)驗(yàn)。如圖4，吸附CO分子前后，石墨烯在費(fèi)米能級(jí)附近的電子結(jié)構(gòu)沒有明顯差別，說明石墨烯和CO分子的相互作用為較弱，結(jié)合之前吸附能計(jì)算結(jié)果和CO分子與石墨烯之間的距離，判斷該吸附類型為較弱的物理吸附。

圖4 a.石墨烯的態(tài)密度圖；b.石墨烯上吸附CO之后的態(tài)密度圖

綜上實(shí)例所述，計(jì)算化學(xué)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)無法完成的操作過程，對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解具有重要輔助作用。因此計(jì)算化學(xué)課程的開設(shè)有助于加深學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、驗(yàn)證結(jié)果的探究習(xí)慣。

3.總結(jié)

高校培養(yǎng)全面發(fā)展的高級(jí)人才的教育手段是做到教學(xué)、科研與社會(huì)實(shí)踐三結(jié)合。大學(xué)物理化學(xué)課程中對(duì)具有基礎(chǔ)性、引領(lǐng)性的問題進(jìn)行深入挖掘；以實(shí)際問題為導(dǎo)向，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合。哈工大化工與化學(xué)學(xué)院本科期間開設(shè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)、選修創(chuàng)新性課程，碩士期間在基礎(chǔ)教學(xué)基礎(chǔ)上融合科研知識(shí)，融匯貫通層層深化，課程合理配置，致力于培養(yǎng)學(xué)術(shù)與應(yīng)用兩條腿走路的人才,為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國夢貢獻(xiàn)力量。