当前课程知识点：大学化学 > 第十二章 化学与现代科学 > 纳米科学与化学-自然界中的纳米现象 > Video
同学们好
今天我们来学习
纳米科学与化学
首先问同学们几个问题
你知道
人和哺乳动物的牙齿
为什么这么坚硬吗
你知道北极熊
为什么不怕冷吗
你知道
鲨鱼为什么在水里
游得这么快吗
你知道
荷叶为什么
出淤泥而不染吗
要回答这些问题
我们就需要用到
纳米科学的知识
纳米科学
是研究纳米尺寸
一般是指1-100nm的时候
物质和设备的设计方法
组成、特性以及应用的科学
而纳米材料指的是
在三维空间中
至少有一维
处于纳米尺度范围
或由它们作为基本单元
构成的材料
当材料具有纳米结构时
就会产生特殊的
纳米效应
包括表面效应
小尺寸效应
以及宏观量子隧道效应
具有纳米效应的材料
就会产生很多特殊的性质
比如由于汽车尾气
带来的环境污染
成为人们普遍关注的问题
而研究新型的纳米催化剂
可以有效地解决
环境污染的问题
研究表明
金纳米颗粒
可以在室温下
催化CO氧化成CO2
而对于块体的金
几乎没有催化活性
下面我们来解释一下
人和哺乳动物的牙齿或骨骼
为什么会这么坚硬
牙齿或骨骼是一类特殊的
生物矿化材料
生物矿化材料是由
生命系统参与合成的
天然的生物陶瓷和
生物高分子复合的
纳米材料
由于这类材料
具有特殊的纳米结构
和组装方式
因而具有很多
近乎完美的性质
比如极高的强度
非常好的
断裂韧性和耐磨性等
生物陶瓷的种类很多
构成牙齿和骨骼的
主要成份是
羟基磷灰石
虽然它们本身强度很小
而且易碎
但是
当具有特殊的
纳米结构排列之后
它们的强度能够得到
极大的提高
我们以牙齿为例
老鼠门牙的牙釉质中
我们可以观察到
非常有序的
羟基磷灰石纳米
棒状晶体
沿长轴排列
形成晶体束
晶体束再平行排列
形成釉柱
最后
釉柱平行排列
形成了牙釉质
在釉柱与釉柱间
以及晶体与晶体之间
充满着有机高分子基质
这种高度有序的组装
使得矿物得以紧密堆积
从而显示出
优良的力学性质
其它生物矿化材料还有
软体动物贝壳
坚硬的内层
它的组成95％以上
是易碎的生物陶瓷
CaCO3
而另外不到5％
是一种柔韧性很好的
生物高分子
这两种材料以砖泥结构
结合在一起
数百万个
尺寸在几千纳米的
CaCO3陶瓷片
就像钱币一样
相互堆叠在一起
而每一层陶瓷盘之间
有一层很薄的高分子
将它们粘合在一起
同时
每一个陶瓷盘小片
都有自己复杂的纳米结构
这种高级的自组装结构
使得贝壳珍珠层的
断裂韧性
比单相CaCO3高3000倍
对北极熊的毛
进行放大观察
可以看到一根根的
空心纳米结构细管
这种结构使得它
具有极好的
吸收红外线的能力
因此有很好的
保温、绝热的性能
由此可以设想
如果能够仿照
北极熊的毛管
制成保温、节能的
人造中空纳米纤维
一定能够大大提高
太阳能的利用率
为人类造福
又如鲨鱼之所以能够在
水中快速前进
秘密就在于
它的皮肤表面排列有序的
纳米鳞状突起
这些突起在水中
具有整流的效果
可以减小水的阻力
使鲨鱼成为海洋中
游泳的佼佼者
仿照鲨鱼皮的这种结构
制成的鲨鱼皮泳衣
倍受人们青睐
仿照这种鲨鱼皮的结构
科学家在飞机上进行涂层
结果显示
使用这种涂层
可以使飞机阻力
减小8%以上
节约燃料约1.5%
最后
我们来看一下荷叶
荷叶自古就有
出淤泥而不染的美誉
也许你注意到
当水滴落到荷叶表面
不但不会润湿荷叶
反而会呈水珠状滚落
滚落的同时
还会带走荷叶表面的淤泥
因此
我们把这种特征
称为荷叶的自清洁性
对荷叶表面进行放大观察
我们可以看到
很多微米级的乳突结构
对每一个乳突进行
单独放大
我们还可以观察到
纳米结构的分支
这种微米与纳米
相结合的结构
使固体与液体的界面之间
形成了气膜
从而导致水滴不能够浸润
同学们
自然界中还有哪些现象
与纳米结构有关呢
那么上面我们观察到的
这些纳米结构
是怎样得到的呢
这些内容下节课
我们断续学习
-1.1 不一样的大学化学
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-1.2 化学体系的建立
--Video
-1.3 应该了解的化学
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-1.4 课程学习的必要准备
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-第一章 绪论--第一章 习题
-2.1 物质的聚集状态—物质的相与相变
--Video
-2.1 物质的聚集状态—气体—理想气体与实际气体
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-2.1 物质的聚集状态—气体—实际气体的状态方程
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-2.1 物质的聚集状态—液体
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-2.1 物质的聚集状态—固体—单晶多晶与非晶结构；晶体的宏观性质
--Video
-2.1 物质的聚集状态—固体—晶体的对称性
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-2.1 物质的聚集状态—等离子体
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-2.1 物质的聚集状态—液晶
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-2.1 物质的聚集状态—等离子、液晶与平板显示技术
--Video
-2.2 溶液的性质—溶液的特点与分类
--Video
-2.2 溶液的性质—气体、液体和固体的溶解
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—饱和蒸气压降低
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—稀溶液的沸点升高
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—溶液的凝固点降低
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性— 溶液的渗透压
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—反渗透现象
--Video
-第二章 物质的聚集状态与溶液的性质--第二章习题
-3.1原子核外电子运动的描述-原子结构理论的发展
--Video
-3.1原子核外电子运动的描述-核外单电子运动的量子化模型
--Video
-3.1原子核外电子运动的描述-电子运动的特点
--Video
-3.2电子运动的波函数与原子轨道- 电子运动的波函数与原子轨道
--Video
-3.2电子运动的波函数与原子轨道-量子数的取值与原子轨道
--Video
-3.2电子运动的波函数与原子轨道-自旋量子数的取值原则
--Video
-3.3核外电子排布-多电子原子核外电子运动的描述
--Video
-3.3核外电子排布-基态原子核外电子的排布
--Video
-3.4元素周期律-元素周期律与元素周期表
--Video
-3.4 元素周期律-元素性质的周期性
--Video
-3.4元素周期律-电子结构与元素性质
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-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 小论文
-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 习题
-4.1 离子键理论—离子键理论
--Video
-4.1 离子键理论—离子键价键构型
--Video
-4.1 离子键理论—离子半径与离子晶体的结构
--Video
-4.2 共价键理论—经典路易斯理论
--Video
-4.2 共价键理论—现代价键理论
--Video
-4.2 共价键理论—共价键的性质
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道的理论要点
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（一）
--Video
-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（二）
--Video
-4.3 杂化轨道理论—不等性杂化轨道理论
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）I
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）II
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道的建立
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道能级图
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-4.5 分子轨道理论-异核双原子分子和离子
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-4.6 分子间作用力-分子的极性
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-4.6 分子间作用力-分子间作用力
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-4.7 氢键
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-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 小论文
-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 习题
-5.1 配合物的基本特征-配合物的形成
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-5.1 配合物的基本特征-配合物的命名规则
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-5.2 配合物的化学键理论-配位学说
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-5.2 配合物的化学键理论-配合物价键理论
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-5.2 配合物的化学键理论-晶体场理论
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-5.3 配合物化学键理论的应用-配合物的几何异构现象
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（一）
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（二）
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-第五章 配位化学概论--第五章 习题
-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-热力学第一定律
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-反应进度
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-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(二)
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-6.2 化学平衡-可逆反应与平衡常数
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-6.2 化学平衡-化学平衡的规则
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-第六章 化学反应中的能量变化与化学平衡--第六章 习题
-7.1 自发过程与自发反应（一）
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-7.1 自发过程与自发反应（二）
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵与Entropy
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-7.2 熵与热力学第二定律—热力学第二定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—热力学第三定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—孤立系统熵判据
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（一）
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（二）
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-7.4 吉布斯自由能的判据—标准吉布斯自由能的计算
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-7.4 吉布斯自由能的判据—反应方向的标准吉布斯自由能判据
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-7.4 吉布斯自由能的判据—非标准状态下自发反应方向性的判据
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-7.4 吉布斯自由能判据—吉布斯-亥姆霍兹方程
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（二）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（二）
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-第七章 化学反应的方向--第七章 小论文
-第七章 化学反应的方向--第七章 习题
-8.1 化学反应速率-化学反应的方向与反应速率
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-8.1 化学反应速率-化学反应速率的表示方式
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（一）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（二）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-一级反应速率方程
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-二级反应速率方程
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-温度对化学反应速率的影响
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（二）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（二）
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-8.4 催化剂对化学反应速率的影响
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-第八章 化学动力学基础--第八章 习题
-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（一）
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-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（二）
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-9.1 酸碱平衡—水的解离平衡
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（一）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（二）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（三）
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-9.1 酸碱平衡—同离子效应
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（一）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（二）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（三）
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-9.2 配位平衡—配合物的解离平衡
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-9.2 配位平衡—配合物解离平衡的移动
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积常数
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（一）
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（二）
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-第九章 酸碱平衡与沉淀溶解平衡--第九章 习题
-10.1 氧化还原反应方程式配平
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-10.2 原电池与电极电势—原电池
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（一）
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（一）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电极电势的影响
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应的方向性
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-10.4 电极电势的应用—判断元素的氧化还原能力
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应进行的程度
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（一）
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（二）
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-10.4 电极电势的应用—金属的电化学腐蚀与防护
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-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 小论文
-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 习题
-无机元素化学-s区元素
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-无机元素化学-p区元素
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-无机元素化学-过渡元素
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-生命化学概论-生命有机化合物官能团
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-生命化学概论-生命元素-碳
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-生命化学概论-生命元素-氧
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-生命化学概论-蛋白质
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-生命化学概论-核酸
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-生命化学概论-糖
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-生命化学概论-金属酶与金属蛋白
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-生命化学概论-药物
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-第十一章 元素与生命化学概论--第十一章 习题
-纳米科学与化学-自然界中的纳米现象
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-纳米科学与化学-微观结构与仿生
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-纳米科学与化学-纳米结构的观察
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-纳米科学与化学-纳米结构与特殊浸润性
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-化学与材料-材料科学领域中的化学问题
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-化学与材料-正渗透与水处理技术
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-化学与材料-相变材料（一）
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-化学与材料-相变材料（二）
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-化学与材料-范德华力与二维材料
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-第十二章 化学与现代科学--第十二章 习题
-大学化学期末考试
