第一章

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20T 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，风力发电的电机就需要用到钕铁硼。这样一些材料为什么会有这样的磁性，是因为原子的磁矩，原子磁矩的来源主要是电子，虽然原子核也有贡献，但主要是电子的自旋和轨道的贡献。我们今天这一讲原来是安排在11月11号，这一天对于磁性材料来说是有象征意义的，因为这一天是单身节，对于磁性材料来说，表现磁性是由于存在单身的电子，没有配对的。原子形成化合物的时候电子总是倾向于配对的，仅有少数物质的电子没有配对，只有某些元素在化合物中的电子没有配对，对于过渡金属来说是d 电子，对于稀土金属来说是f电子，如果是非金属主要是自由基的p 电子。

对于分子的磁性，磁有序也有不同的类型，其磁性来源也是电子的自旋以及轨道的贡献。如果把我们刚才讲的传统的磁性材料，比如氧化物以及合金不断地做小，会表现出一些独特的性质，就会从体相多畴的性质变成单畴的性质，再小就变成了少数自旋组成的一个体系，现在许多科学家就在关注这样一个体系。既然可以从大到小，我们也可以人为地从小到大，拿一些磁性的离子把它们连起来做成一个团簇分子，这样的团簇或聚集体会有什么样的性质？我们需要探讨的就是这样一类磁性的分子。在1993年的时候，法国的一位科学家Oliver Kahn 教授写了本书，详细地介绍了这个领域的理论基础以及各个方向的进展。后来美国的Miller 以及意大利的Gatteschi 教授分别编著了一些新书，大家如果感兴趣可以关注一下这些网站，特别是：http://www.molmag.de/，上面介绍了一些关于分子磁性的基础、前沿领域以及主要的研究方法。

2010年10月初，我们在北京组织召开了“第十二届国际分子磁体会议”，在会议上大家主要关注许多新的问题，包括把自旋载体连成三维结构是否可以做成类似氧化物的磁有序材料，并且使其有序温度达到室温以上，20世纪80年代以来全世界很多课题组都致力于做这种高有序温度的材料，但是进展并不是很大，因为要求磁性载体之间在三个方向上都要有强的相互作用；包括今天我们一会儿最主要讲的内容，就是单个孤立的分子、分子链甚至孤立的离子能否表现出类似磁体的行为，比如磁滞回线；另一个关注的主要方向就是一些多功能的磁体，包括光、电以及铁电的性质。如果要发现一些新的体系和新的现象，我们需要研究分子的磁性质和结构有什么样的关系。