量子物理學(xué)是將量子熱原理應(yīng)用到物理學(xué)中而形成的一門學(xué)科。 經(jīng)過物理學(xué)家的努力，量子物理理論和估計(jì)方法在過去的六年里取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步量子物理的應(yīng)用論文，定性和定量地揭示了許多分子、原子和電子尺度的問題，已經(jīng)受到了足夠的重視。 目前，量子物理已廣泛應(yīng)用于物理學(xué)的各個(gè)分支以及生物、醫(yī)學(xué)、材料、環(huán)境、能源、軍事等領(lǐng)域。 取得了豐富的理論成果，對(duì)實(shí)際工作起到了很好的指導(dǎo)作用。 本文僅簡(jiǎn)要介紹量子物理在材料、能源和生物大分子系統(tǒng)研究領(lǐng)域的原理和技術(shù)。
1.在材料科學(xué)中的應(yīng)用
(1)在建筑材料中的應(yīng)用
水泥是重要的建筑材料之一。 1993年，估計(jì)量子物理開始廣泛應(yīng)用于多種水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究，解決了許多實(shí)際問題。
鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對(duì)水泥石的硬度起著關(guān)鍵作用。 Cheng Xin等人[1,2]研究了幾種鈣礬石相的熱硬度差異，假設(shè)材料的熱硬度由物理鍵的硬度決定。 據(jù)估算，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵水平基本相同，而含Sr鈣礬石和含Ba鈣礬石的Sr和Ba原子鍵水平則不同。與含Ca鈣礬石中的Sr-O和Ba-O共價(jià)鍵水平分別小于Ca原子鍵水平和Ca-O共價(jià)鍵水平相同，因此認(rèn)為Sr和Ba硫氮化物的凝膠硬度低于硫鋁酸鈣的凝膠硬度[3]。
將量子物理理論和技術(shù)引入水泥物理領(lǐng)域是一個(gè)具有廣闊前景的研究課題。 它將幫助人們將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能直接聯(lián)系起來，也為水泥材料的設(shè)計(jì)提供了新的途徑。 [3]。
(2)在金屬及合金材料中的應(yīng)用
通過量子物理估計(jì)過渡金屬（Fe、Co、Ni）中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場(chǎng)和電子結(jié)構(gòu)，以增加富含雜質(zhì)的石原子的磁矩，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好。 閔新民等[4]利用量子物理手段研究了三溴化鑭。 結(jié)果表明，LnF3中參與成鍵的Ln原子軌道順序?yàn)椋篸>f>p>s，結(jié)合能的估計(jì)值與實(shí)驗(yàn)值的定性趨勢(shì)一致。 該方法也廣泛應(yīng)用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)和能譜的估計(jì)[5]。 又如，NbO2是在810℃發(fā)生相變（從金紅石型到四方體中心）的物質(zhì)，也通過量子物理對(duì)NbO2在其低溫相的電子結(jié)構(gòu)和能譜進(jìn)行了估計(jì)和討論。 強(qiáng)調(diào)它與高溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)上的差異[6]。
量子物理因其精度高、計(jì)算機(jī)時(shí)間少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)，并取得了許多有意義的成果。 隨著量子物理方法的不斷建立和電子計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展和普及，量子物理在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大，這將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條特別有意義的途徑[5]。
2.在能源研究中的應(yīng)用
(1)在煤裂解反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用
煤炭是重要的能源之一。 近年來，隨著量子物理理論的發(fā)展以及量子物理估算方法和估算技術(shù)的進(jìn)步，量子物理方法深入探索煤的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。
量子物理估計(jì)在煤模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理研究和反應(yīng)方向預(yù)測(cè)方面有許多成功的例子。 例如，低級(jí)芳烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體的熱解機(jī)理研究已經(jīng)取得了較為明確的研究成果。 。 從物理知識(shí)、程序中的半經(jīng)驗(yàn)方法 UAM1、UHF/3-21G* 級(jí)別的從頭計(jì)算方法和密度泛函/3-21G 構(gòu)想所研究的低級(jí)芳烴可能的自由基裂解途徑* 方法估計(jì)設(shè)計(jì)路徑的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)。 通過理論估計(jì)方法得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，對(duì)煤熱解量子物理基礎(chǔ)的研究具有重要意義[7]。
(2)在鋰離子電池研究中的應(yīng)用
鋰離子二次電池因其容量大、工作電流大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、無記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被稱為“最有前途的物理電源”，廣泛應(yīng)用于便攜式大型電子設(shè)備中。家電等規(guī)模裝備，并已開始向電動(dòng)汽車、軍用潛艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。
鋰離子電池也稱為臺(tái)式電池。 電池的工作過程實(shí)際上就是Li+離子在正負(fù)極之間來回嵌入和脫嵌的過程。 因此，通過深化鋰的嵌入-脫嵌機(jī)制來進(jìn)一步提高鋰離子電池的性能非常重要。 前等人。 [8]采用半經(jīng)驗(yàn)分子軌道方法作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了碳層之間鋰原子的插入反應(yīng)。 鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心上方。 前等人。 等人[9]采用分子軌道方法研究了鋰摻雜的芳香碳化合物，結(jié)果表明，隨著鋰濃度的降低，鋰的離子性降低，暗示可能存在較高鋰摻雜態(tài)的Li。 -C和共價(jià)Li-Li的混合物。 [10]采用分子軌道估計(jì)方法研究了低結(jié)晶碳材料的鋰摻雜反應(yīng)。 研究表明，鋰優(yōu)先嵌入石墨層間反應(yīng)中，然后摻雜到石墨層的不同部位[11]。
隨著人們對(duì)材料晶體結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步深入和計(jì)算機(jī)發(fā)展水平的更高，相信量子物理原理在鋰離子電池上的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛、深入、更具指導(dǎo)意義。
3.在生物大分子系統(tǒng)研究中的應(yīng)用
生物大分子系統(tǒng)的量子物理估計(jì)仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子系統(tǒng)的理論研究具有重要意義。 因?yàn)榱孔游锢砜梢栽诜肿印㈦娮訉用鎸?duì)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致的理論研究，這是其他理論研究方法無法替代的。 因此，有必要利用量子物理學(xué)來研究這一生物大分子體系，以深入了解酶的催化、基因的復(fù)制和突變、藥物與受體之間的識(shí)別結(jié)合過程和作用方法等。 毫無疑問，這些研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用，甚至有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合成人工酶； 它們可以闡明遺傳和變異的奧秘，從而調(diào)控基因的復(fù)制和突變，使之造福于人類； 根據(jù)抗生素與受體等的結(jié)合過程和作用特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出高效、廣譜的新藥，可見利用量子物理研究生命現(xiàn)象是非常有意義的。
綜上所述，我們可以看出量子物理在材料、能源和生物大分子系統(tǒng)的研究中發(fā)揮著重要作用。 近十年來，由于電子計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展和普及，量子物理計(jì)算變得更快、更方便。 可以預(yù)見，在不久的將來，量子物理將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。
參考：
[1] 程鑫. [論文]。 北京：材料科學(xué)與工程大學(xué)，北京理工大學(xué)，1994
[2] 程鑫，馮修吉． 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，17(4)：12
[3]李北興，程鑫。 建筑材料學(xué)報(bào)，1999，2（2）：147
[4] 閔新民量子物理的應(yīng)用論文，沉爾忠，蔣元生等。 物理學(xué)報(bào), 1990, 48(10): 973
[5]程鑫，陳亞明。 湖南建材大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，8（2）：1
[6] 閔新民. 物理學(xué)報(bào), 1992, 50(5): 449
[7] 王寶軍，張玉貴，秦玉紅，等。 煤焦轉(zhuǎn)化，2003，26(1)：1
[8] AgoH,,, et al.Bull.Chem.Soc.Jpn., 1997, 70: 1717
[9] AgoH，加藤M(fèi)，。 等，1999，146 (4)：1262
[10],,.98, 43(21-22):3127
[11]馬明友，何澤強(qiáng)，熊立志等。量子物理原理在鋰離子電池研究中的應(yīng)用。 安順學(xué)院學(xué)報(bào), 2006, 27(3): 97