Глава 240. Будущее химии •
Этиленкарбонат, также известный как этиленкарбонат, 1,3-диоксолан-2-он, 1,3-диоксациклопентанкарбонат.
Его химическая формула - "C3H4O3", при комнатной температуре представляет собой кристаллическое твердое вещество, но при температуре выше 35°C становится прозрачной бесцветной жидкостью. Является отличным органическим растворителем, способным растворять различные полимеры. Используется в производстве удобрений, волокон, фармацевтических препаратов, органическом синтезе и других отраслях промышленности.
Как исследователь материалов, Сюй Чуань имеет некоторое представление об этиленкарбонате, но не очень большое.
В конце концов, в своей прошлой жизни он занимался исследованиями материалов в основном в области физических материалов, а этиленкарбонат относится к области химических материалов.
Но для него не составляет труда понять свойства материала и найти другую добавку, которая могла бы его контролировать.
Все вещи взаимосвязаны и взаимозависимы, и материалы не исключение.
Различные материалы имеют разные химические и физические свойства, слияние молекул между собой, поиск порядка в беспорядке, поиск простоты и красоты в сложном и запутанном, либо разрушение, либо новое рождение.
Например, аморфный сплав, который выглядит невероятно твердым, но не имеет абсолютного порядка, в вечном движении, как "Звездная ночь" Ван Гога, если присмотреться, то он вечно движется в кажущейся неподвижности.
В этом и заключается очарование материаловедения.
"Этиленкарбонат: молекулярная формула C3H4O3, молярная рефракция в молекулярной структуре 17,17, поверхностное натяжение 37,3, дипольный момент 10-см3, поляризуемость 6,80".
"Количество доноров водородной связи: 0, количество акцепторов водородной связи: 3, количество вращающихся химических связей: 0, количество таутомеров: нет, топологическая полярная площадь поверхности молекулы 35,5, количество ковалентных связей: 1".
"Смешивается с горячей водой выше 40°C, спиртом, бензолом, хлороформом, этилацетатом, уксусной кислотой и другими веществами. Трудно растворим в сухом эфире, сероуглероде, четыреххлористом углероде, петролейном эфире и т.д.".
В лаборатории Сюй Чуань по крупицам собрал всю информацию об этиленкарбонате.
Будь то его химические и физические свойства или различные прошлые исследования.
Все это очень поможет в поиске материала, контролирующего этиленкарбонат.
На самом деле, для поиска материала, контролирующего этиленкарбонат, он вполне мог бы обратиться за помощью к другим химикам-исследователям.
Для тех химиков-исследователей материалов, которые годами погружены в эту область, найти несколько материалов, отвечающих требованиям, не составит большого труда.
Однако у Сюй Чуаня были другие мысли, он хотел попробовать посмотреть, можно ли интегрировать математику в расчеты материаловедения.
Точно так же, как другие предполагали, что он полагался на свои сильные математические способности при разработке радиационно-стойких материалов и материалов для литиевых батарей.
Только он сам знал, что это не так.
И сегодня Сюй Чуань хотел сделать этот шаг и использовать математику, чтобы помочь себе выполнить эту работу.
Что касается химических реакций, то в учебниках это строки химических формул, а в лаборатории - разрыв старых химических связей и образование новых.
Например, суть окислительно-восстановительной реакции - это приобретение или потеря электронов вне ядра атома, изменение структуры самого атома.
А суть реакции двойного разложения - это перегруппировка атомов, то есть изменение способа расположения и комбинации нескольких атомов.
Но на самом деле, ее более глубокая суть - это поток электронного облака.
Чтобы определить, может ли произойти химическая реакция, необходимо подтвердить это с точки зрения термодинамики, кинетики, изменения энтальпии, изменения энтропии, свободной энергии (свободной энергии Гиббса), энергии активации и т.д.
На самом деле, строго говоря, нынешнее развитие химии несовершенно.
Потому что во многих случаях мы даже не можем ясно объяснить самые простые химические реакции с помощью теории, поэтому многие теории являются феноменологическими.
Если проследить цепочку химических объяснений назад, то в конечном итоге все сводится к физическим объяснениям.
Поэтому физика является самой фундаментальной дисциплиной в естественных науках (математика не является естественной дисциплиной!).
Многие люди ошибочно полагают, что химия является самой фундаментальной, потому что, например, химические связи по своей сути являются электрическим взаимодействием, относящимся к электромагнитному взаимодействию, одной из четырех фундаментальных сил. Химические реакции также связаны с движением и столкновением молекул.
Конечно, химия имеет большой потенциал и огромную ценность для глубокого изучения.
И если рассматривать глубинную сущность химии, то математика, несомненно, может быть применена.
Например, наиболее распространенную скорость химической реакции можно описать с помощью дифференциальных уравнений. Математические уравнения можно решить численными методами, чтобы определить константы скорости реакции и другие параметры.
Например, использовать теорию волновых функций, теорию групп и т.д. для описания электронных структур и механизмов реакций.
Или моделирование молекулярной динамики, которое использует своего рода компьютерную математику для имитации и изучения законов движения материи. Это включает в себя обширные знания в области исчисления, теории вероятностей и статистики, а также алгоритмов оптимизации.
Кроме того, существуют различные аспекты термодинамики, аналитической химии и т.д., которые можно изучать с помощью математики.
Теоретически, если известна информация о материалах и условиях, необходимых для химической реакции, то можно полностью смоделировать весь процесс реакции с помощью математики.
Это звучит невероятно, но теоретически возможно.
Конечно, на практике это невозможно, по крайней мере, сейчас.
И Сюй Чуань хотел попытаться сделать первый шаг к этой невозможной цели.
Этиленкарбонат - отличная экспериментальная цель.
"Учитывая полимерный растворитель, используемый в электролите, и материалы положительного и отрицательного электродов, диапазон выбора добавок для контроля этиленкарбоната не так уж велик".
"Большинство щелочных и спиртовых соединений можно исключить, так как эти соединения реагируют с этиленкарбонатом, образуя различные вещества, вредные для батареи, которые не только разъедают положительные и отрицательные электроды, но и не подлежат переработке".
"Тогда остается не так много вариантов, можно рассмотреть кетоны, фториды и некоторые циклические материалы".
"Затем, исходя из условий обратимости, кетоновые соединения, в которых карбонильная группа соединена с двумя углеводородными группами, являются хорошим выбором".
"Но диапазон кетонов все еще слишком велик, его нужно сузить..."
В лаборатории Сюй Чуань бормотал про себя, а шариковая ручка в его руке непрерывно записывала данные на листе бумаги формата А4.
Он основывался на некоторых базовых химических реакциях, чтобы сначала сделать приблизительный отбор пригодных добавок, а затем использовать математику для моделирования реакции и выбора.
Это сложный путь, хотя по нему уже ступали, но он не был глубоко разработан; на этой тропинке, где виден конец, в неизвестном тумане растут тернии, и нужен человек, который наберется смелости, чтобы идти вперед.
К счастью, ему никогда не не хватало смелости исследовать и നേരിടться с трудностями.
В лаборатории Сюй Чуань непрерывно совершенствовал свою теорию и данные.
С другой стороны, испытания новой искусственной плёнки SEI и содержания этиленкарбоната также продолжались.
Пока Сюй Чуань все еще искал подходящие материалы, лаборатория "Чуаньхай" уже почти закончила все испытания.
"Руководитель Фань, это данные экспериментов и испытаний за эти дни. Судя по экспериментам, проведенным за эти дни, если не менять другие материалы и добавки, то наиболее подходящим значением является снижение содержания этиленкарбоната примерно до 67,3% от первоначального уровня", - сказал Юй Чжэнь, штатный научный сотрудник, первоначально отвечавший за исследование искусственной плёнки SEI, передавая толстую стопку отчетов.
Фань Пэнъюэ кивнул и протянул руку, чтобы взять: "Спасибо за ваш труд".
Юй Чжэнь покачал головой и ответил: "Стыдно сказать, но в этот раз мы не сыграли никакой роли в разработке материалов для литиевых батарей".
"С самого начала, с теории и экспериментального процесса, до последующего решения проблемы искусственной пленки SEI и открытия проблемы влияния этиленкарбоната на литиевые дендриты и осаждение лития, все было сделано боссом".
"Мы просто провели эксперименты в соответствии с его требованиями, с такими экспериментами справится любой аспирант, который проводил эксперименты с литиевыми батареями".
Услышав это, Фань Пэнъюэ тоже вздохнул.
"Он действительно ненормальный, в двадцать один год получить высшие награды в области математики и физики, он уже не из нашего мира".
"Я верю, что в любой отрасли он сможет проявить самые потрясающие способности".
Помолчав, Фань Пэнъюэ продолжил: "Знаешь, когда я еще учился в аспирантуре, я работал с моим научным руководителем над проектом по материалу диселенида вольфрама, и мы столкнулись с проблемой, которая чуть не заставила моего руководителя отказаться от этого проекта".
"Позже этот младший брат не только помог решить эту проблему, но и использовал математику, чтобы найти коренную причину проблемы и найти решение".
"И этот проект принес результаты стоимостью в миллиарды долларов!"
"И самое главное, что в то время он еще учился на первом курсе".
Услышав это, Юй Чжэнь ахнул.
Он знал, кто был научным руководителем Фань Пэнъюэ.
В конце концов, прошло уже несколько месяцев, и обычных бесед и разговоров было достаточно, чтобы все друг друга узнали.
Дело было не только в их боссе, нынешний руководитель, спустившийся с парашютом, на самом деле тоже был неплох. Ученик академика Академии наук, его связи и статус были не тем, с чем могли сравниться такие люди, как они.
И проект, от которого чуть не отказался академик, должно быть, столкнулся с фатальной проблемой.
Несмотря на то, что он знал, что обладатель Нобелевской премии и Филдсовской премии - это не человек из их мира, но на первом курсе он смог участвовать в проекте, результаты которого стоили миллиарды долларов, и решить фатальную проблему.
Этот талант уже невозможно описать.
Но оглядываясь назад, Юй Чжэнь вдруг почувствовал, что это разумно.
Если бы он не был таким гением, как бы он смог решить проблему, которую не смог решить академик, и получить Нобелевскую премию и Филдсовскую премию в возрасте двадцати одного года? Это две самые авторитетные награды в академическом мире.
Хотя он был шокирован, эти математические способности также вызвали у Юй Чжэня некоторое любопытство.
Он не удержался и спросил: "Ты говоришь, что хорошее знание математики действительно так важно? Даже в таких областях, как материаловедение, где математику сложно применить, можно решать проблемы с помощью математики?"
Услышав этот вопрос, Фань Пэнъюэ немного помолчал, подумал и неуверенно ответил: "Не знаю. Возможно, для него это так?"
Помолчав, он осторожно добавил: "Но я никогда не видел такого уровня применения математики у других профессоров математики".
"Возможно, он особенный".
С другой стороны, в кабинете Сюй Чуань склонился над столом, а шариковая ручка в его руке непрерывно писала.
"...EC, (C) DEC, (D) DMC, (E) EMC, (F) EC/DEC = 1/1, (G) EC/DMC = 1/1, ... (J) ECO/EMC = 1/2".
"..."
Глядя на данные на бумаге, Сюй Чуань задумался.
"Судя по данным, метилэтилкетон - неплохой выбор, исходя из химических свойств, можно предположить, что он может оказывать определенное ингибирующее действие на этиленкарбонат".
"Как известно, причина, по которой этиленкарбонат играет огромную роль в повышении эффективности литий-ионных батарей, заключается в том, что он может образовывать тесную и упорядоченную сольватную структуру Li+-EC с Li+ посредством сольватации, что делает электролит, содержащий EC, более стабильным в процессе циркуляции".
"И поскольку сольватная структура 'Li+-этиленкарбонат' обладает более высокой стабильностью по сравнению с другими сольватированными ионами лития, такими как метилэтилкарбонат и т.д., добавление компонента 'Li+-этиленкарбонат' в электролит может значительно улучшить циклические характеристики и поляризацию напряжения батареи".
"Это не только повышает стабильность электролита, но и продукты восстановления этиленкарбоната способствуют образованию стабильной твердой электролитной пленки, что делает электролит более стабильным в процессе циркуляции".
"А метилэтилкетон может в нем, посредством поведения осаждения/выхода ионов лития, в определенной степени ослабить явление осаждения лития на отрицательном электроде".
"Что касается конкретной ситуации, то необходимо провести эксперименты, ведь расчетные данные и фактическое применение, безусловно, имеют некоторые различия".
Подумав, Сюй Чуань покачал головой и, посмотрев на бумагу на столе, вздохнул с облегчением.
В эти дни он отложил другие проекты и сосредоточился на изучении этого вопроса. Если говорить о прогрессе, то он есть, но небольшой.
На данный момент он нашел только один материал, который может подойти.
Он недооценил различные сопутствующие явления, которые могут возникнуть в химических реакциях. Расчет этих вещей может утомить человека.
"Может быть, мне стоит создать математическую модель?"
В голове Сюй Чуань переключил мысли на другую сторону.
Математическая модель, хотя и не может точно предсказать различные свойства неиспытанных образцов материалов и возможные сопутствующие химические явления, но может предоставить пользователю определенную справочную информацию.
Например, сузить область экспериментов с точки зрения вероятности.
Давным-давно, когда он еще учился на первом курсе, он сделал математическую модель для своего научного руководителя Чэнь Чжэнпина по проекту материала диселенида вольфрама, а затем быстро помог найти проблему в процессе эксперимента и определить оптимальную концентрацию восстановителя.
Можно сказать, что в процессе разработки материалов роль математической модели очень велика.
Просто у него сейчас совсем нет столько времени, чтобы делать это.
Математическую модель для исследования химических материалов, вероятно, можно сделать, но с точки зрения сложности она будет намного сложнее, чем та, которую он делал раньше для своего научного руководителя Чэнь Чжэнпина.
Можно даже сказать, что это небо и земля.
В конце концов, проект по диселениду вольфрама был нацелен только на один материал, и даже с учетом условий восстановителя, температуры, давления и т. д., он не был очень сложным.
Но химия - это другое, такая математическая модель, предназначенная для исследования химических материалов, имеет сложность, которая просто зашкаливает.
Даже если бы он взял команду из более чем десяти человек для ее написания, это, вероятно, заняло бы несколько месяцев.
Конечно, в случае успеха это могло бы принести огромное удобство для его будущих химических экспериментов.