分子自组装教材

分子自组装XX什么是自组装•自组装技术是从简单到复杂、由无序到有序的排列组合、自我完善的自发过程。•自组装一旦开始，就有自己向下延展的规律，而且会有一个自我设定的终点，外界条件不变的情况下自组织过程是不会受到影响的，会一直继续到预先设定的终点才会停下。背景近些年来，自组装技术、自组装材料的研究被广泛的重视，同时也取得了许多重要的研究成果。美国《Science》杂志于2005年出版专刊，提出了21世纪亟待解决的25个重大科学问题，其中自组织问题是其中唯一的化学物理问题。自组装的过程分子通过非共价键的作用（氢键、范德华力、静电力、配位键、表面张力、电场力、磁场力、疏水作用力、π-π堆积作用、阳离子吸附）自发的结合成为结构确定、热力学稳定、性能特殊的聚集体的一个过程就是分子自组装的过程。自组装的驱动力范德华力范德华力又称为分子间作用力，其结合能一般为几到几十千焦每摩尔。根据偶极性的不同可分为三种情况：1.极性分子固有偶极之间的相吸和相斥达平衡时，体系能量最低，这时由定向极化产生的分子间相互作用力叫取向力；2.相邻分子的固有偶极和诱导偶极之间的作用力叫诱导力；3.由瞬时偶极引起的分子间的相互吸引力叫做色散力。取向力、诱导力和色散力都是分子间的引力，统称为分子间作用力。氢键以H2O分子为例，H的电负性为2.1，O的电负性为3.44，H与O之间的电负性差大。当H与O形成共价键时，共用电子对强烈偏向O使H原子几乎成为“裸核”，从而使H有多余的正电引力吸引另一个H2O分子中电负性大的O原子中任一孤对电子，这种力叫氢键。亲水/疏水作用•亲水性是指材料对水分子有吸引力；•疏水性是指材料对水分子有排斥作用。毛细作用力和液体表面张力毛细作用力：毛细作用是颗粒与之间的液体相互作用引起的。在微纳米颗粒形成结构的过程中毛细作用力的影响很大。液体表面张力：表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力自组装可以制备的材料自组装是分子自身、分子与基底、分子与分子的自我调节的一个过程，通过这种方式能制备出单分子膜、囊泡、胶束、微管、小棒及更加复杂的有机/无机、生物/非生物的复合物。自组装可以制备的材料在实际制备纳米材料的过程中，已经可以制备纳米团簇、纳米管、纳米无机多孔材料、功能化纳米材料以及有机/无机纳米复合材料。自组装与生物医学通过自组装技术形成的单分子层、膜，囊泡，微管和生物传感器，神经修复材料以及基因传输系统等，对临床医学诊断和治疗有重要作用。自组装与生物医学•1998年，德国人Mohwald利用层层自组装制造了高分子胶囊，使自组装在药物生产上有了运用。•中山大学基于自组装技术制备硫酸链霉素修饰电极来检测抗生素，并分析了硫酸链霉素与鱼精DNA的相互作用。自组装与生物医学•上海大学采用含银聚电解质络合物和利用层层静电自组装技术制备出了抗菌性滤膜。•近年来，研究者通过改变胶囊组分和厚度，制备出了可缓释微胶囊。•南开大学利用自组装技术制备PDDA-多壁碳纳米管-胆碱生物传感器，在临床医学检测上获得突破。自组装与物理化学1.IBM的研究人员将分子的自组装能力与标准的芯片制造工具相结合，制造出一个超小型电脑存储设备。2.Health等人制得了由金属、半导体纳米线所得的超高密度阵列及纳米逻辑电路。其纳米线接点处密度高达每平方厘米1011个交叉点。3.1992年，成功合成了M415系列介孔分子材料。以此材料为基础的多种新型催化材料已在石油加工、大宗化学品的生产和精细化学制品的生产方面获得很大利用。自组装与物理化学•由于分子有自组装能力，可以减少半导体生产过程中的复杂性，从而有可能降低成本。•随着微电子及时的不断发展，正需要更多的小体积、多功能、结构复杂的纳米级构造单元。•利用自组装技术，不仅能对材料表面修饰而获得原本不具备的光、电、磁、力等性能的新材料，而且还能制造出分子开关，分子存储器，分子导线，分子集成电路等小型器件。自组装材料的制备方法1.自然沉降法：自然沉降法又叫重力沉降法，是利用重力场的作用，在无外界影响的情况下自然形成的晶体结构。2.对流自组装法：把一滴胶体悬浮液滴在基底上，胶体粒子就会向液滴边缘移动。这种方法不仅能用来制备二维和三维结构，还能用来制作二元胶体晶体。自组装材料的制备方法3.垂直沉积法:简单地将基片垂直浸入单分散微球的悬浮液中，当溶剂蒸发时，毛细管力驱动弯月面中的微球在基片表面自组装为周期排列结构，形成胶体晶体。4.旋涂法：对于粒径小的粒子，无法重力沉积，但能在离心力下排列成有序结构，特别是对亚微米的胶粒（300~550）。自组装材料的制备方法旋涂法示意图对流自组装示意图分子自组装的前景及展望1.功能性高分子及纳米粒子可自组装成为极高应用价值的多层结构。2.厚度接近于零的单分子自组装膜在化学（钝化）、机械（机械的浸润和附着）、电子（抵抗）和热力学（渗透性扩散）性能的表面和界面改性方面有很好的应用。3.蛋白质、细胞乃至生命的形成都是通过自组装来实现的，因此自组装的研究对揭开生命现象奥秘具有十分重要的意义。分子自组装的前景及展望4.把自组装技术与电化学等方法相结合,有望在铁、铜等工业应用最广泛的金属上组装具有缓蚀功能的有序分子膜。工业用金属表面组装缓蚀功能有序分子膜的研究如果取得较大进展,将有可能给金属的防护技术带来革命性的影响。分子自组装的前景及展望总的来看，人们对分子自组装的研究工作要比以前更深入，对于其研究化学、物理、生命科学和材料科学的交叉学科，他将在光电材料、人体组织材料、高性能高效率分离材料、金属腐蚀与防护、超分子材料以及纳米材料中发挥应有的作用。自组装技术的国内外现状自组装的构想自上世纪末提出后，经过短短一二十年的发展，它已被认为是最后可能取代现有微纳米加工方法，成为大范围应用的微纳构造技术。虽然现在很多方法和技术还只是处于实验室阶段，但很有必要相信它确实是非常有潜力的。问题和改进自组装存在着许多需要研究和改进的地方：1.自组织技术制备纳米材料的产量较小，很难实现工业化的制备材料；2.自组织机理的研究还不系统化，没有普遍可以遵守的一个准则；3.可控性不高，控制尺度还没达到生产需要。