分子自组装的原理和特点以及科学中的应用

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分子自组装的原理和特点以及科学中的应用

时间:2013-08-20 14:12 来源:未知作者:肖遥点击: 次

　　2005年7月美国《Science》杂志在创刊125周年纪念专辑中提出21世纪亟待解决的25个重大科学问题。唯一的化学问题就是“我们能够推动化学自组装走多远”，从一个侧面反映了分子自组装的重大科学意义。文章充分肯定化学家在自组装方面取得的一些新的进展，但呼吁化学家应分家重视自组装的研究，并要注意师从自然，通过自组装来制备更加高级复杂的结构。

　　分子自组装的原理和特点自组装是指构筑基元在一定条件下自发地形成有序机结构的过程。它是创造新物质和产生新功能的重要手段。它遵循能量最低原理，对于开放的、远离平衡态的有高度活性的体系可能服从于耗散结构的准则。分子自发地通过无数非共价键的弱相互作用力的协同作用是发生自组装的关键。这里的“弱相互作用力”指的是氢键、范德华力、静电力、疏水作用力、 π-π 堆积作用、阳离子一π吸附作用等。非共价键的弱相互作用力维持自组装体系的结构稳定性和完整性[4]。并不是所有分子都能够发生自组装过程，它的产生需要两个条件[5]：自组装的动力以及导向作用。自组装的动力指分子间的弱相互作用力的协同作用，它为分子自组装提供能量。自组装的导向作用指的是分子在空间的互补性，也就是说要使分子自组装发生就必须在空间的尺寸和方向上达到分子重排要求。自组装膜的制备及应用是目前自组装领域研究的主要方向。自组装膜按其成膜机理分为自组装单层膜(seassembled monolayers，SAMs)和逐层自组装膜(Layer-by-layerself-assembled membrane)。如图1所示，自组装膜的成膜机理是通过固液界面间的化学吸附，在基体上形成化学键连接的、取向排列的、紧密的二维有序单分子层，是纳米级的超薄膜。活性分子的头基与基体之间的化学反应使活性分子占据基体表面上每个可以键接的位置，并通过分子间力使吸附分子紧密排列。如果活性分子的尾基也具有某种反应活性，则又可继续与别的物质反应，形成多层膜，即化学吸附多层膜。自组装成膜较另外一种成膜技术Langmuir-Blodgett(LB)成膜具有操作简单，膜的热力学性质好，膜稳定的特点，因而它更是一种具有广阔应用前景的成膜技术

　　分子自组装体系形成的影响因素分子自组装是在热力学平衡条件下进行的分子重排过程，它的影响因素也多种多样。依据能量最低原理，以及自组装产生的两个必要条件即动力以及导向作用分别考察了自组装体系形成过程中的影响因素，主要归纳为以下三点：分子识别，组分和溶剂影响。

　　在有机分子自组装过程中控制组装顺序的指令信息就包含于自组装分子之中，信息依靠分子识别进行[6]。日前分子识别进一步应用于临床药物分析、模拟酶催化以及化学仿生传感器。为定性分离和设计提供更多的信息，也为加速分子发现提供潜能。

　　吴苊[7]等利用扫描轨道电镜观测了4一十六烷氧基苯甲酸(T1)和3，4，5一三取代十六烷氧基苯甲酸(T3)分子在石磨上形成的自组装体系的结构，结果发现这两种分子的自组装排列结构有着很大的不同：T1分子形成的是有序的明暗相间的条陇状结构，而T3分子形成的是密堆积结构。这说明组分结构的微小变化或组分的数目变化可能导致其参与形成的自组装体结构上的重大变化。

　　溶剂的性质及结构上的不同都可能导致自组装体系结构发生重大改变。任何破坏非共价键的溶剂，都可能会影响到自组装过程的进行。Joseph M．Desimone[8] 用不同密度液态或超临界态二氧化碳作为溶剂时，考察对两性共聚分子的自组装的形成的影响，结果发现在CO2 溶剂密度低于0.82g／cm3 时，CO2相和高分子相是独立存在的；当CO2溶剂密度增加时，高分子溶解，成为低聚物(半径2～4nm)；当密度到达一定值时，低聚物团聚成球形颗粒。由此可知溶剂的密度对自组装确实有一定的影响。

　　分子自组装的应用及研究进展分子自组装的应用愈来愈得到各国研究者的重视。总体来讲，分子自组装的应用分为以下三个方面：纳米材料中的应用，膜材料方面的应用以及生物科学中的应用本文由中药标准对照品中心整理提供。

　　分子自组装在纳米材料中的应用分子自组装技术在纳米技术中的应用主要集中在纳米介孔材料、纳米管、纳米微粒的制备中。

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