智能水凝胶是一类具有三维网络结构的高亲水性高分子聚合物材料，能快速感知和响应环境的变化。本项目以食用海带为原料提取海藻酸，利用其与不同金属离子的交联能力不同，制得具有金属离子响应能力的海藻酸水凝胶，成功用于软硬水鉴别、维生素C和金属离子检测。项目通过设计趣味实验开展梯度科普，生动阐释智能水凝胶的形成原理和应用实例。学龄前儿童和小学生可以通过简单的操作制备出五彩缤纷的凝胶球，趣味性强。中学生和社会公众可用简单的生活器具从海带中提取海藻酸并制备出水凝胶，用于软硬水的鉴别和水果中维生素C的测定，生活化与科学性相结合，激发参与者学习化学的兴趣和热情。大学生可以通过实验研究智能水凝胶的分析检测性能，结合光度法检测铁离子和维生素C的含量，培养其综合素质。项目集趣味性、生活化和科学性于一体，层次丰富、可行性高。该项目有望助力化学从实验室走入生活，服务公众；也可推动更多人了解化学、走进化学、发展化学。

采用种子生长法制备金纳米棒(AuNRs)以构建光学传感器，用于Fe³⁺和Cu²⁺的高选择性快速可视化检测。在酸性环境中，Fe³⁺和Cu²⁺通过与KI溶液反应，将I^-氧化成I₂。I₂刻蚀AuNRs，导致其纵向表面等离子体共振(LSPR)吸收峰蓝移，从而实现对Fe³⁺和Cu²⁺的检测。结果表明，反应温度为50 ℃时，添加0.8 mL 0.1 mol·L^-1 HCl、2 mL AuNRs生长液和20 mmol·L^-1 KI溶液，与2 mL 500 μmol·L^-1 Fe³⁺或30 μmol·L^-1 Cu²⁺反应25或90 min，可将AuNRs刻蚀至LSPR吸收峰消失。该方法对Fe³⁺和Cu²⁺检测具有高选择性和准确性，对于Fe³⁺、Cu²⁺共存体系的检测，可通过加入适量F^-与Fe³⁺生成配合物[FeF₆]^3-完成对Fe³⁺的化学掩蔽，消除Fe³⁺的干扰，实现共存体系中Cu²⁺的准确检测。

试纸——通常指的是经过化学处理以后可对特定对象产生颜色变化的一类纸基产品，是人们进行快速检测分析的好帮手。本实验在玻璃纤维滤纸表面改性的基础上，设计了一种基于稀土配合物荧光传感特性的重金属离子检测试纸，充分展示了其在检测水中是否含有重金属离子方面的有效性与便捷性。创新设计的验“金”试纸在检测水源重金属离子污染方面大有用途，充分凸显了化学在促进生态文明建设方面大有可为。试纸的制作过程简单、安全与环保，所得验“金”试纸实用、易用与好用，实验过程既能科普试纸的一般制作与检验原理，又能激发学生进行科学探索与应用实践的兴趣，并在试纸使用的过程中传播生态文明的理念。本实验简单、易重复、门槛低、绿色环保且安全，实验过程具有独特的色彩美学，令人印象深刻，既适合在公众场所开展科普实验，又适合在小学高年级、中学和各本专科院校的实验教学中开展和普及。

近年来，金纳米粒子被发现具有纳米酶特性，可以模拟天然过氧化物酶催化过氧化氢分解。本实验选用明胶还原制备金纳米粒子，通过紫外-可见分光光度法测定金纳米粒子催化过氧化氢分解反应的米氏常数。将科学前沿概念“纳米酶”设计成适合本科生的物理化学动力学实验，既可锻炼学生的综合能力，又能激发学生对化学实验的兴趣与民族自豪感。

为全面推进科教融合，推进化学实验教学的改革，本文以金纳米粒子实验为例，在综合化学实验中引入“科学、技术、社会(STS)理念”，通过“课题”形式开展本科实验教学。将科研方法和科学技术融入本科教学，让学生掌握科学研究方法和最新的科学技术，培养学生科研实践探索能力，实现科学与技术在社会中得到应用的获得感。

使用菲咯啉官能化咪唑盐配体((HL) PF₆，L=3-苄基-1-[2-(1, 10-菲咯啉)咪唑叶立德])分别合成了一个双核氮杂环卡宾(NHC)银配合物NHC-Ag₂和一个异核的氮杂环卡宾银/金双金属配合物NHC-Ag/Au。通过NMR和元素分析对NHC前体和金属配合物进行了表征。单晶衍射分析表明，这2个配合物具有类似的结构，2个金属中心原子分别由2个配体的4个菲咯啉氮原子和2个卡宾碳原子配位，呈四面体和直线型构型。体外细胞毒性研究表明，配合物NHC-Ag₂和NHC-Ag/Au具有比它们的前体咪唑盐配体和顺铂更强的抗癌活性。如在结肠癌LoVo细胞中，NHC-Ag₂和NHC-Ag/Au的IC₅₀值(半抑制浓度)分别为(5.6±0.3)μmol·L^-1和(6.4±0.3)μmol·L^-1，均优于顺铂的细胞毒性。机制研究表明，配合物NHC-Ag₂和NHC-Ag/Au引起了LoVo细胞内线粒体膜电位变化和活性氧(ROS)的过度产生，最终导致细胞膜通透性增加和细胞死亡。

将三聚氰胺、RuCl₃及炭黑以一定的比例分散于乙醇中，采用旋转蒸干及高温热处理合成了一种氮掺杂碳(NC)负载Ru的Ru/NC催化剂。采用硼氢化钠液相化学还原法合成了不同Pt、Ru负载量的PtRu/NC催化剂，并用于电催化甲醇氧化反应(MOR)及电催化分解水析氢反应(HER)。结果表明，合成的催化剂中Pt₁Ru/NC(Pt、Ru的实际负载量分别为1.14%、0.54%)表现出最优的MOR性能，质量活性达4.96 A·mg_PtRu^-1，且经10 000 s稳定性测试后质量活性保持在测试前的91.1%。同时，当电流密度为100mA·cm^-2时，Pt₁Ru/NC在HER中表现出最低的过电位(103 mV)和最小的Tafel斜率(15.29 mV·dec^-1)。通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、STEM-能谱(STEM-EDS)技术表征了PtRu/NC双金属催化剂，其具有优异催化性能的原因如下：(1) PtRu双金属纳米颗粒高度分散于NC上；(2) Pt以纳米团簇或单原子形式负载于Ru上，后负载于NC，形成了Pt-Ru相分离结构；(3) Pt、Ru与N之间存在协同效应。

导电水凝胶兼具生物医用材料和导电材料特征，可应用于医疗康复、运动监测和人机交互等领域。为提高柔性电子学专业本科生的创新意识与实验技能，本实验设计了一种纳米凝胶材料交联的导电水凝胶，通过探索加聚型水凝胶聚合过程中引发剂浓度和交联机制，阐明材料结构组分对水凝胶基柔性电子器件使用耐久性能及传感性能的影响。通过创新实验设计，柔性电子学专业本科生可以学习到高分子乳液聚合、水凝胶制备以及应力应变传感性能表征等知识点，深入理解交联剂结构设计对材料功能性的影响。此外，本实验还设计了基于水凝胶柔性电子传感器的可穿戴传感系统，通过集成可控制小车移动的智能手套，以及用于控制电脑游戏的水凝胶控制器，将前沿科研与本科实验教学任务紧密结合，有利于激发柔性电子、材料、电子信息等专业本科生对于科研的兴趣和创新探索的科研精神。

本文介绍了作者在计算材料学本科课程的教学实践中基于SPC/E水分子模型设计的一系列分子动力学实验内容。SPC/E水分子模型具有简洁、高效和便于理解的特点，基于此模型设计的实验内容包含分子动力学算法验证，以及径向分布函数、比热容和输运性质的计算。这些实验内容与理论课中分子动力学的基本原理和分子动力学对物质结构、热力学性质和动力学性质的计算等内容一一对应，有助于加深学生对分子动力学的基础知识的理解。这些实验采用同一模拟体系贯穿始终，计算量适中且均使用开源软件LAMMPS进行模拟，可实现计算化学及计算材料学课程中分子动力学实验简洁高效的教学。