同時作為碩士/博士研究生,做材料科學和有機(合成)化學有什麼明顯的區別(生活和科研?)

無機化學/材料科學的院士/傑青/優青在做報告的時候都是發了一堆的先進材料等高影響因子期刊的論文,而且研究周期短,出成果快;

而有機化學/有機合成的大牛們需要做出同樣等級的工作是否需要碩士博士生們花費更多的時間和經費(藥品溶劑硅膠)沒日沒夜才能出點成果?


我說一點我們領域的吧。

我們的領域一般被稱為「有機光電材料與器件」。其中材料部分基本是有機合成,而器件部分是一些偏向於電氣工程(EE)相關的內容。在我們這個專業當中,做有機材料的人有兩種工作方式:第一類是做材料的人除了合成以外,自己獨立把器件的部分也做完;第二類是自己只做合成相關的東西,器件部分交給電器工程相關專業的同學來完成。我分開說一下。

第一類的話,我以有機場效應晶體管(Organic Field Effect Transistors或者Organic Thin Film Transistors,OFET或者OTFT,是同一個東西)為例子。

我們首先要合成有機材料,這類材料具有半導體的性質,設計完需要合成的材料和合成路徑以後,把材料做出來,然後提純並確定最終結構。這部分跟做有機合成的人本質上是相同的,但也有不少區別。為了不影響闡述的連貫性,我等會再講區別。

然後除了有機合成的部分以外,我們需要測定材料的HOMO和LUMO值,涉及紫外可見吸收光譜(UV)和循環伏安法(CV)的實驗和數據分析。我們還需要通過特定的方法,來製備得到有機半導體的薄膜,和相應的有機場效應晶體管器件。我們需要使用原子力顯微鏡(AFM)和X射線衍射(XRD)來對薄膜的性質進行表徵和探究,並且需要測定製備所得的器件的性能,並進行計算和分析。這是做純化學的同學完全不會接觸到的內容。

除了上述內容,我們還會希望儘可能得到材料的單晶,並且獲得材料的單晶XRD衍射的數據(單晶XRD跟XRD不是一回事),這個單晶XRD數據對我們分析材料分子的堆疊方式(aggregation)和上文所述的AFM圖和XRD數據(尤其對於XRD數據)有重要的作用。除此之外,我們會希望把獲得的材料單晶作為半導體,做成單晶場效應晶體管,因為單晶是最有利於反映材料自身半導體的性能的形式。

我們這個學科還會涉及一些計算,去計算HOMO和LUMO數值和實驗結果的偏差;根據單晶XRD數據來計算材料的電荷轉移積分(Charge Transfer Integrals,跟材料的半導體性能有關);計算材料理論上的半導體性能,來和實驗數據進行比較;等等。

從以上所述,我們可以看到,有機光電材料這個領域,比純化學科研多出了很多器件相關的內容,涉及的知識面要廣很多。

第二類只做合成的同學,跟一般做化學的同學沒有太本質的區別,都是做合成,然後得到純的有機物。

但是在合成的部分,也是有一些區別的:

(1)化學功底的要求。對於有機光電材料的同學而言,用到的反應都相對成熟,不像做純化學的同學,需要更加紮實的化學基礎。但是,對於有機光電材料這塊,對材料的結構設計提出了不同的要求,比如我要通過怎麼樣的設計,去讓我製備出的器件有更高的效率和更長的壽命;去讓我的材料的溶解性變得更好,讓我的器件可以通過溶液法去製備;等等。

(2)材料提純方法。有機半導體經常會有相對大的共軛系統,帶來的結果是材料溶解性的下降,經常會有材料不能用過柱子和蒸餾的方法提純。材料領域裡常用的一個方法是真空升華(sublimation),原理和分餾是類似的,只不過原材料從液體變成了固體,當原材料被加熱升華以後,再在不同的低溫區冷卻沉積。

(3)有機光電材料的合成路徑相對短,合成相關的工作量相對小。我們不可能跟純化學方向一樣有那麼大的合成工作量的,畢竟我們除了合成以外的工作量還有很多。做完合成拿到材料,一般只意味著你的實驗工作完成了三分之一左右。由於我們的化學合成訓練時間也相對少,總的來說,如果只考慮合成的步驟(不包括提純),全合成出身的同學幾乎一個能頂我們三個。

(4)單晶數據的差異。當年成老闆 @成楚暘 提到過東京大學一位老師的分子籠相關工作,可以通過把分子裝進分子籠,然後由於分子籠比較容易進行定向排列,我們可以通過測定這種分子籠—分子複合物的單晶,來獲得分子的單晶結構。但這個方法對我們這個領域不適用,因為對於純化學的學科而言,獲得單晶的主要目的是確定材料的結構;而對於有機光電材料領域而言,單晶用途要多很多,我們需要知道材料分子本身的堆疊方式,但我們通過這個分子籠法,獲得是分子籠的堆疊方式,獲得的分子間距和堆疊取向等一系列的信息和都和我們直接用材料製得的單晶都是不相符的,自然也就不能反映材料的半導體性能了。

大概就是這樣。怎麼說呢,有機光電材料的工作強度跟純化學的同學不見得差太多,這畢竟也是一個需要投入時間的也可以加班壓工作量的學科,所以生活方面基本看人。而兩個專業培養出來的學生的特點,大概還是一個廣博,一個專精。至於以後的發展,就不好說了。畢竟我剛碩士畢業,是沒發展過的人,不好評論。至於出成果的周期,我們領域確實一般比化學合成的同學出成果要快。


有機合成不太了解,不過納米材料方面:

2000年前後是玩花兒,angew和jacs上大把的漂亮形貌材料甚至都不用做性質;

慢慢的特殊形貌的材料已經不夠了需要足夠好的催化性質來撐場面;

再到最近幾年性質好已經只是必要條件了,還要配合詳細的表徵甚至理論計算來解釋反應機理,說明性質為什麼好。

所以說材料領域高檔次文獻也越來越難發了,那些搞搞合成就能發jacs的日子一去不復返啦。

個人覺得,畢竟材料是一個新興的交叉學科起步較晚,最近的十來年正是快速發展的時候,所以跟相對更成熟一些的化學體系比,發文章肯定會相對容易一些吧,畢竟越成熟的領域文章越不好發是公認的嘛。


跟同方向的比就可以了,不是一個方向文章成果沒有可比性


周六幹活是voluntary還是compulsory


有機的做合成時間多,材料的做表徵時間多。出成果看課題看方向,有機也有快的。


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