自组装单分子膜表征技术的研究
单层自组装膜的应用进展
单层自组装膜的应用进展 XXXX （CC大学应用化学，山西太原030006） 摘要：自组装单分子膜(SAMs)是近20年来发展起来的一种新型有机超薄膜，具有广泛的应用前景，具有序度高、缺陷少、能量低的优点，易于用物理和化学技术进行研究。文中综述了自组装单分子膜在电分析化学，金属腐蚀与防护与美感修饰效能的应用进展。 关键词：自组装单分子膜；电分析化学；金属腐蚀与防护；美感修饰效能 自组装单层膜是表面活性物质在基片上形成一层排列致密有序的自组装膜，是近20年来发展起来的一种新型有机超薄膜，一般而言，自组装单分子膜(SAMs)具有以下主要特征：(1)原位自发形成；(2)热力学稳定；(3)覆盖度高，缺陷少；(4)分子有序排列;；(5)可人为设计分子结构和表面结构来获得预期的界面物理和化学性质;；(6)简单易得。由于其独特的结构和性能，其应用受到科研工作者的密切关注。本文综述了自组装单层膜在等领域的应用进展。 1自组装膜在电分析化学的应用[1] 自组装单分子膜在电分析化学领域显示出巨大的优势。主要表现在：在分子水平上预先设计膜结构，获得特殊的性能和功能，达到研究对象的目的。膜与研究对象的相互作用可通过对膜的预先设计和修饰达到最佳效果。另外，有序规则单分子膜提供了均相的电极表面，能有效避免电活性物质向电极表面的扩散。因此，SAMs技术在电分析化学领域获得了广泛的应用。 1.1化合物电化学性质研究[1] 利用自组装膜的活性基团，将具有氧化还原中心的化合物引入自组装膜分子中，在电极表面形成特定的修饰层来研究这些化合物的电化学性质。常常研究的化合物有二茂铁、偶氮苯、醌、染料及它们的衍生物等。另一类研究是将具有氧化还原中心的化合物共价键合在自组装膜上，研究该氧化还原中心对其他电活性物质的电催化作用。醌、染料及其衍生物对生物分子(如蛋白质及其他小分子)的电催化研究最为广泛。 1.2生物传感器[2] 利用自组装膜技术将酶或具有活性的细胞组织固定在自组装膜电极上，可制成对生物物质有选择性响应的传感器，对特定物质选择性地产生电催化反应，并对产物进行检测。根据识别机理，SAM生物传感器可分为电化学传感器，光学传感器，热传感器和质量传感器。电化学传感器SAM生物传感器的主要优点是它的稳定性，这与电活性的SAM作为电子通道有关，因此适合用作检测生物分子的基底。表面等离子体共振(SPR)传感器表面等离子体传感器属光学传感型，它能检测覆盖金属表面单分子膜厚度的变化，还可用于监测SAM原位生长和溶液中分子主体-客体作用，这种方法一般检测大的生物分子。如环糊精和杯状芳烃修饰的长链SAM表面，由于其孔穴可螯合有机小分子和相关的大的生物分子，因此具有较高的选择性。石英晶体微天平(QCM)是另一种重要的生物传感器，它根据共振频率变化引起的原位质量变化进行分析检测。这种质量敏感技术在研究单分子层信息，酶的固定、小分子有机物以及大的生物分子选择性响应等方面具有独到之处。 1.3离子选择性电极[1] 引入特定基团或化合物的自组装膜修饰电极对金属离子有选择性的响应，可制成离子选择性电极。具有超分子结构的冠醚，杯芳烃及杯芳醚对金属离子及有机分子有很高的识别能力，将这些物质键合在自组装膜电极上，可对金属离子及有机分子进行选择性测定。 1.4电子转移[3] 通过SAMs分子表面基团的设计，从而影响异相电子转移的速率，更进一步研究电子转
金属表面自组装缓蚀功能分子膜
收稿:2002年5月,收修改稿:2002年9月 3国家重点基础研究专项经费(G 19990650)和国家自然科学基金(20173033)资助项目33通讯联系人 e 2m ail :shchen @sdu .edu .cn 金属表面自组装缓蚀功能分子膜3 杨学耕1 陈慎豪1,233 马厚义1 全贞兰1 李德刚1 (1.山东大学化学与化工学院 济南250100; 2.中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室 沈阳110015) 摘 要 本文总结了近年来自组装单分子膜技术在金属腐蚀与防护领域中的应用,重点介绍了几类比较成熟的自组装体系,评价了几种常用的表征技术,概括了近年来本课题组在该研究领域中的一些成果,并 对自组装技术今后的发展作了预测。 关键词 自组装单分子膜 金属腐蚀与防护 缓蚀剂 中图分类号:O 64616;T G 17 文献标识码:A 文章编号:10052281X (2003)022******* I nh ib itive Self -A ssem bled M onolayers on M eta l Surface Y ang X ueg eng 1 Chen S henhao 1,233 M a H ouy i 1 Q uan Z hen lan 1 L i D eg ang 1 (1.Schoo l of Chem istry and Chem ical Engineering ,Shandong U n iversity ,J inan 250100,Ch ina ; 2.State Key L abo rato ry fo r Co rro si on and P ro tecti on of M etals ,In stitu te of M etal R esearch ,CA S ,Shenyang 110015,Ch ina ) Abstract Self 2assem b led m ono layers (SAM s )p lay an i m po rtan t ro le in su rface science ,chem ical en 2gineering and m aterials science becau se of their relevance to bo th app lied and fundam en tal studies .In th is p ap er the app licati on of self 2assem b led m ono layers in the field of co rro si on and p ro tecti on of m etals in re 2cen t years is summ arized .Som e rep resen tative self 2assem b ly system s are in troduced in detail .In additi on ,som e comm on characterizati on techno logies are evaluated ,and the research resu lts of ou r group are p re 2sen ted .T he developm en t of th is techn ique in the fu tu re is also p redicted . Key words self 2assem b led m ono layers ;co rro si on and p ro tecti on of m etal ;inh ib ito rs 一、引 言 近20年来,自组装单分子膜(self 2assem b led m ono layers ,SAM s )技术得到了突飞猛进的发展[1] 。由于SAM s 具有取向性好、有序性强、排列紧密等特点,正在生物化学[2—5]、医学[6]、化学分离[7]、材料科学[8—11]等领域扮演着越来越重要的角色。腐蚀科学与防护技术是一个对国民经济发展有着重要作用的研究领域。目前应用最广泛的缓蚀剂是一些有机缓蚀剂,但许多高效缓蚀剂往往具有毒性,这使它们的应用范围受到了限制;同时,由于缓 蚀剂浓度很小,外界环境的微小变化就会对体系造 成较大的影响,这给缓蚀机理的研究带来了很大的困难。这些因素制约了缓蚀剂的进一步发展[12]。在金属基底材料上组装一层排列紧密的缓蚀剂单分子膜后,会使金属的表面性质发生很大的变化,从而使缓蚀效率大大提高,也拓宽了缓蚀剂的应用范围;同时,由于成膜分子在空间有序排列,这就为在二维乃至三维领域内研究其物理性质提供了可能,为进一步探索缓蚀剂的作用机理,合成新的高效缓蚀剂提供了途径[13—15]。本文对自组装单分子膜技术在金属腐蚀与防护领域中的应用进行了评述,并概述了近 第15卷第2期2003年3月 化 学 进 展 PRO GR ESS I N CH E M ISTR Y V o l .15N o.2 M ar .,2003
分子自组装原理及应用(精)
分子自组装原理及应用 毛薇莉无机专业MG0424012 【摘要】分子自组装在生物工程技术上的建模、分子器件、表面工程以及纳米科技领域已经有很广泛的应用。在未来的几十年中,分子自组装作为一种技术手段将会在新技术领域产生巨大的影响。在这篇文章里,我们介绍了分子自组装技术的定义、基本原理、分类、影响因素、表征手段等,并阐述了分子自组装技术目前的研究进展,展望了分子自组装技术的应用前景。 【关键词】分子自组装;自组装膜 1前言 分子自组装是分子与分子在一定条件下,依赖非共价键分子间作用力自发连接成结构稳定的分子聚集体的过程[1]。通过分子自组装我们可以得到具有新奇的光、电、催化等功能和特性的自组装材料,特别是现在正在得到广泛关注的自组装膜材料在非线性光学器件、化学生物传感器、信息存储材料以及生物大分子合成方面都有广泛的应用前景,受到研究者广泛的重视和研究。 2分子自组装的原理及特点 分子自组装的原理是利用分子与分子或分子中某一片段与另一片段之间的分子识别,相互通过非共价作用形成具有特定排列顺序的分子聚合体[2]。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、ππ堆积作用、阳离子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[3]。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[4]: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(Self- assembled monolayers , SAMs和逐层自组装膜(Layer -by – layer self-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ＬａｎｇｍｕｉｒＢｌｏｄｇｅｔｔ(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。另外,根据膜层与层之间的作用方式不同,自组装多层膜又可分为两大类,除了前面所述基于化学吸附的自组装膜外,还包括交替沉积的自组装膜。通过化学吸附自组装膜技术制得的单层膜有序度高,化学稳定性也较好。而交替沉积自组装膜主要指的是带相反电荷基团的聚电解质之间层与层组装而构筑起来的膜,这种 膜能把膜控制在分子级水平,是一种构筑复合有机超薄膜的有效方法。
自组装单分子膜的合成及其表征方法
自组装单分子膜的合成及其表征方法 1232230039 12材料化学2班龚赛赛 摘要：自组装分子膜的制备和表征是目前自组装研究领域的主要方向, 此文总结了现阶段分子自组装膜的主要制备方法, 并从扫描探针显微镜( SPM)、电化学、光谱学和接触角等方面综述了近几年来自组装单分子膜的表征方法的研究进展, 概述自组装分子技术的现状及发展趋势。 关键词：自组装单分子膜; 扫描探针显微镜; 表征研究 引言 自组装单分子膜( SAMs) 的制备技术与机理研究已成为当今科研工作者们的研究热点，例如: 腐蚀科学、界面科学、材料科学等许多领域。它的制备技术多样化，应用领域广泛化，工艺简单，成本低廉，是自组装技术的主要特点，但研究自组装分子膜的形状大小、结构方式、性能对比、致密性与稳定性等性质却离不开表征方法。科学研究中利用大量的表征技术，可以提高工作效率，节省劳动成本，同时也可以获得人肉眼所不能察觉的信息，因此选择恰当的表征技术、方法与表征参数是科研工作者需要亟待解决的问题。但关于自组装分子膜的表征技术等方面的文章在近几年内并不多见。 下面本文就对自组装的主要技术和表征等方面作综述。 1.分子自组装的主要技术 1.1 化学吸附的自组装膜技术 其方法为: 将附有某表面物质的基片浸入到待组装分子的溶液或气氛中, 待组装分子一端的反应基与基片表面发生自动连续化学反应。在基片表面形成化学键连接的二维有序单层膜, 同层内分子间作用力仍为范德华力。若单层膜表面具有某种反应活性的活性基, 再与其它物质反应, 如此重复构成同质或异质的
多层膜。其主要用于以图形化自组装膜( se lf- assemb ly: SA )为模板的纳米结构制备技术。SA 结合光辐射、微接触印刷、等离子体刻蚀等 方法获得了广泛应用。例如Taton K. S. 和Gu ireP. E.将水溶液里包含光敏二苯甲酮疏水嵌段和低分子量聚环氧乙烷亲水嵌段的二嵌段共聚物用紫外光照射后, 共聚物自发地以共价键吸附到疏水表面上, 自组装成可减少细菌粘附的生物涂覆材料的SAM。 1.2物理吸附的离子自组装膜技术 又称为分子沉积法, 是1991年德国Ma inz大学的Decher首先提出的。其原理为: 将表面带正电荷的基片浸入阴离子聚电解质溶液中, 因静电吸引, 阴离子聚电解质吸附到基片表面使基片表面带负电, 然后将表面带负电荷的基片再浸入阳离子聚电解质溶液中, 如此重复得多层聚电解质自组装膜。这样可制取有机分子与其它组分的多层复合超薄膜。如图1所示。该技术有较好的识别能力、生物相容性、导电性、耐磨性, 比之于化学吸附膜, 层与层之间较强作用力使稳定性大为提高[ 7] 。Judk insC. M. 等[ 8] 在碳电极表面自组装1, 1c- 桥联- 2,2c- 二吡啶盐离子, 发现产物与高氯酸盐通过离子作用可获得性质稳定的膜, 并用循环伏安法研究了膜的催化性质。Cordas C. M 等[ 9] 在金电极上自组装了三价卟啉铁二硫化物衍生物的单层膜, 并用称量分析法和椭圆光度法研究出具有电催化功能的改性电极。 1.3旋涂方法 旋涂方法是指将配制好的聚合物溶液滴加到高速旋转的底物表面形成薄膜。Kim等用旋涂方法在玻璃底物上得到不对称聚联乙炔的自组装膜, 并用红外光谱和介电光谱确证了自组装膜氢键网络结构。张榕本等[ 10] 也用旋涂方法在玻璃上得到二阶非线性的光学自组装膜, 用红外光谱, 原子力显微镜(AFM )及示差扫描量热法( DSC )研究了自组装结构的形成过程 1.4基底上的有机分子自组装 基底上的有机分子自组装是有机分子自组装的主要方法之一, 除了产生自组装膜外, 还可产生其它结构。根据基底的不同, 可分为: ( 1) 金属基底: 如重金属(金、银、铂等) 表面硫醇类或二硫化物的自组装。通过有机物某官能团与金属共价作用使有机物自组装成单分子膜。
自组装技术经典实验
Self-Assembly & Self-Organization Fluid Crystallization Self-Assembly Lab & Arthur Olson Fluid Crystallization, exhibited as part of the 2013 Architectural League Prize Exhibition, is a project that investigates hierarchical and non-deterministic self-assembly with large numbers of parts in a fluid and turbulent environment. Three hundred and fifty hollow spheres were submerged in a 200-gallon glass water-filled tank. Armatures, modeled after carbon atoms, followed intramolecular covalent bonding geometries within atoms. Intermolecular structures formed as spheres interacted with one another in 1, 2, or 3-Dimensional patterns. The highly dynamic self-assembly characteristic of the system offers a glimpse at material phase-change between crystalline solid, liquid, and gaseous states. Turbulence in the water introduced stochastic energy into the system, increasing the entropy and allowing structures to self-assemble; thus, transitioning between gas, liquid, and solid phases. Polymorphism could be observed where the same structures could solidify in more than one crystalline form, demonstrating the versatile nature of carbon as a building block for life. Fluid Crystallization
自组装单分子膜的制备及其在电分析化学中的应用_王都留
第27卷第5期2012年10月 大学化学 UNIVERSITY CHEMISTRY Vol．27No．5 Oct．2012自组装单分子膜的制备及其 在电分析化学中的应用* 王都留杨建东＊＊ （陇南师范高等专科学校生物与化学系甘肃成县742500） 摘要综述了自组装修饰电极在电分析化学中的应用。 关键词自组装单分子膜修饰电极影响因素制备及应用 随着科学技术的发展，对材料的研究正致力于采用“自下而上”的构筑方式来代替传统的“自上而下”的微加工技术，分子自组装正是适应这样一种趋势而产生的新技术。分子自组装的最基本层次是以有机分子为基本模块单元（building blocks）的。在生命体系中，大量复杂、具有生物学功能的超分子系统（蛋白质、核酸、生物膜、脂质体等）正是通过分子自组装形成的。有机化合物分子除通过化学键结合之外，在分子间还存在弱的相互作用，如氢键、静电作用、范德华力、π-π之间的相互作用等。这些相互作用在形成分子自组装时扮演重要的角色，可以形成一定结构、较稳定、具有某种特定功能的分子聚集体或超分子结构。这些由特殊功能分子聚集体形成的纳米材料在分子器件、生物传感等领域具有潜在的应用价值。 自组装单分子膜（self-assembled monolayers，SAMs）是分子通过化学键相互作用自发吸附在固/液或气/液界面形成的热力学稳定和能量最低的有序膜［1］。与其他单层膜相比，自组装膜有序度高、缺陷少、能量低；易于用物理和化学技术进行研究。自组装膜提供了在分子水平上设计表面结构来获得预期的界面物理和化学性质，而且为在二维或三维水平上组装复杂界面提供了强有力的工具，因此是研究各种表面和界面复杂现象的模型体系。 1自组装膜研究现状及特点 自组装单分子膜（SAMs）是近20年来发展起来的一种新型有机超薄膜。1946年，Zisman［2］最早将表面活性剂分子利用自组装吸附在金属电极表面，形成单分子层。但是这一开创性的工作当时并没有引起人们的注意。直到1983年，Nuzzo和Allara［3］利用烷基硫醇将二硫化物从稀溶液吸附在金电极上后，在金属表面的自组装研究才引起人们广泛关注。各种类型的自组装体系也随之出现，如硫醇盐、硫化物等分子被自组装到各种金属表面（Au、Ag、Cu、Pt、Ni）［4-5］和硅原子通过氧化硅［6］、有机酸或双亲分子连接在金属氧化物表面（如Al/Al2O3、PtO、TiO2、ZrO2）等［7］。在上述各类自组装体系中，烷基硫醇分子与金表面的自组装是目前研究最广泛、最彻底的自组装体系（图1）。Whitesides研究小组在自组装膜研究方面做了系统、开创性的工作［8-9］。一般而言，自组装单分子膜（SAMs）具有以下主要特征：（1）原位自发形成；（2）热力学稳定；（3）覆盖度高，缺陷少；（4）分子有序排列；（5）可人为设计分子结构和表面结构来获得预期的界面物理和化学性质；（6）简单易得。 ＊＊＊基金资助：甘肃省教育厅科研项目（0928B-02）；陇南师专校级重点项目（2012LSZK01001、2012LSZK01003）；校级科研启动金资助通讯联系人，E-mail：lnszyjd@gmail．com
分子自组装原理及应用
分子自组装原理及应用 分子自组装的原理及特点： 分子自组装的原理是利用分子与分子或分子中某一片段与另一片段之间的分子识别,相互通过非共价作用形成具有特定排列顺序的分子聚合体。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、ππ堆积作用、阳离子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。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: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(Self- assembled monolayers , SAMs和逐层自组装膜(Layer -by –layer self-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ＬａｎｇｍｕｉｒＢｌｏｄｇｅｔｔ(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。另外,根据膜层与层之间的作用方式不同,自组装多层膜又可分为两大类,除了前面所述基于化学吸附的自组装膜外,还包括交替沉积的自组装膜。通过化学吸附自组装膜技术制得的单层膜有序度高,化学稳定性也较好。而交替沉积自组装膜主要指的是带相反电荷基团的聚电解质之间层与层组装而构筑起来的膜,这种膜能把膜控制在分子级水平,是一种构筑复合有机超薄膜的有效方法。 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,主要有以下三个影响因素: 1 分子识别对分子自组装的影响 分子识别可定义为某给定受体对作用物或者给体有选择地结合并产生某种特定功能的过程,包括分子间有几何尺寸、形状上的相互识别以及分子对氢键、ππ相互作用等非共价相互作用力的识别。利用分子彼此间的识别、结合特征,从中挖掘高效、高选择性的功能。若将具有识别部位的多个分子组合,彼此便寻找最安定、最接近的位置,并形成超过单个分子功能的高次结构的聚集体。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。目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。 2 组分对分子自组装的影响 组分的结构和数目对自组装超分子聚集体的结构有很大的影响。吴凡等利用扫描轨道电镜观测了4 十六烷氧基苯甲酸(Ｔ1)和3,4,5 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。 3 溶剂对分子自组装的影响 绝大多数对自组装体系的研究都是在溶液中进行的,因而溶剂对自组装体系的形成起着关键作用。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,包括溶剂的类型、密度、ｐＨ值以及浓
自组装技术综述
第一章 1 背景意义（引言） 材料在人类社会进步过程中有着特殊意义。从石器时代，青铜时代，铁器时代，到水泥/钢筋时代，再到硅时代，无一不体现出材料的重要作用。科学家预言，我们正步入纳米时代。 纳米是长度单位，原称毫微米，就是十亿分之一米或者说百万分之一毫米，略等于45个原子排列起来的长度。纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，研究领域为结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。 现在纳米研究正在蓬勃展开。科学家们通过实验发现，在纳米尺度的结构有很多新现象，新特征，新技术。纳米电子器件有金属块，纳米陶瓷，纳米氧化物，纳米药物，纳米卫星，以后还有纳米化妆品、纳米电冰箱、纳米洗衣机、纳米布、纳米水等新产品问世。 过去几十年间，微电子和计算机技术被广泛运用。内存的容量和运行速度以幂指数式增长。这种增长机制正是通过降低芯片的尺寸来实现的。目前，为满足客户需求，芯片尺寸已降低到100nm以内。在生物医学和人类健康领域，为了更好的诊断和治疗，纳米探测器，纳米抗体，纳米药物的研究正蓬勃展开。 在纳米尺度上实现材料表面结构和性质的加工或图案化，对现代技术的发展和理论的应用有着重要的意义，特别是新型微小结构的成功构造或现有结构的微型化。微加工或图案化技术，除了对微电子
技术中的集成电路、信息存储器件、微机电系统有巨大推动作用外，还对小型传感器、机械材料、生物载体和微型光学元件等的响应速度、成本、能耗和性能有优化作用。与此同时，纳米技术的发展和应用融合了多门传统学科，相继衍生出多种学科门类，创造了新的理论和方法，为微观世界的研究提供了很好的契机。 然而也面临着很多困难，纳米材料在热力学、动力学、光学、磁学、电学以及化学性质方面都与宏观物体有很大的不同。首先的加工制作的困难。尺度太小，要求很精确，受传统理论的限制。比如，光刻中受衍射极限的限制，传统的方法很难获得突破性进展。此外也受形态和空间排布的影响。1959年，著名理论物理学家Feynman就提出纳米材料与技术的构想。在之后的几十年间，一直没多少人关注。纵是在1981年扫描隧道电子显微镜和在1986年原子力显微镜被发明后，纳米技术的应用仍受局限。然而到了20世纪末，随着科技的进一步发展，纳米技术的重要性终于凸显出，成为各主要发达国家重视的科技计划。 近年来在光刻、电子束刻蚀、离子刻蚀、气相沉积等物理微加工技术快速发展的同时, 利用化学自组装技术构筑有序微结构也受到了人们越来越多的关注。通过自组装技术能解决我们面临的很多问题。 随着胶体晶体研究的火热，人们发现一种不依靠人力就能完成组装和构筑结构的方法，由于这种方法简便、制造结构多样、重复性好
LBL自组装技术及自组装生物功能膜结构
综述 !"! 自组装技术及自组装生物功能膜结构! 吕德水! !，林汉枫，李扬眉，徐立恒，林贤福!!!（浙江大学化学系，浙江杭州!"##$% ）摘 要：主要介绍近几年发展的用于生物大分子自组装功能膜的三种逐层（&’&） 自组装技术与制备方法，酰胺化反应自组装技术、生物分子的特异识别自组装技术、分子沉积自组装技术；同时总结了自组装功能膜的结构、特性的表征方法，主要有()*、+,*、循环伏安法、石英晶体微天平（-.*）技术、/0／012、342方法等。关键词：大分子自组装；&’&；生物功能膜；结构；表征方法中图分类号：56! 文献标识码：( 文章编号："##789!:%（$##"）#;8#;998#: 功能生物大分子自组装膜在分子器件、分子调控、生物芯片、生物传感器等方面有重要的应用价 值〔"〕，从分子水平构筑的功能生物大分子自组装膜是化学、生命科学、材料学、物理学等学科的交叉科学的研究热点之一 〔$〕。因此，许多学者对其进行了大量的研究，从单组分到多组分组装，从单层到多层交替组装，从蛋白质到<=(组装，从平面到胶体颗粒组装等方向发展，许多研究成果已成功地应用于实践。本文就生物大分子的逐层（&’&，&>?@A 8B ?8C >?@A ）自组装技术及其功能生物大分子自组装膜结构研究的新进展和新成果进行综述。 #生物大分子逐层（!"!） 自组装技术#$#酰胺反应法自组装 利用分子中羧基（8.55D ）和氨基（8=D $）之间的化学反应生成酰氨键（8.5=D 8），从而形成生物大分子多层自组装膜的方法，将含有氨基或羧基的生物大分子通过酰氨键连接到含有羧基或氨基反应基的基材表面，以形成单分子层薄膜。若生物大分子上还含有氨基或羧基，则可与含有羧基或氨基的另一分子发生酰氨反应，如此重复循环下去，可以制得生物大分子的&’&的多层膜。
自组装
自组装（self-assembly），是指基本结构单元(分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）自发形成有序结构的一种技术。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。自组装过程并不是大量原子、离子、分子之间弱作用力的简单叠加，而是若干个体之间同时自发的发生关联并集合在一起形成一个紧密而又有序的整体，是一种整体的复杂的协同作用。 自组装(self-assembly)为系统之构成元素(components；如分子)在不受人類外力之介入下，自行聚集、组织成规则结构的现象[1]，例如分子的结晶即是一种自组装现象。自组装程序的发生通常会将系统从一个无序(disordered)的狀态转化成一个有序(ordered)的狀态，其可以发生在不同的尺度，例如分子首先聚集成奈米尺寸的超分子单元(supramolecular unit；如界面活性剂分子自组装成微胞；如图一所示)，这些超分子单元间的作用力进而促使其在空间上做规则的排列(如微胞排列成体心立方之晶格)，而使系统具有一种阶级性结构(hierarchical structure)。自组装普遍存在於自然界中，如生物体的细胞即是由各种生物分子自组装而成；而运用各种分子之自组装亦是建构奈米材料非常重要的方法，这种所谓由下而上（bottom-up）的方法目前被广泛应用來制备具光、电、磁、感测、与催化功能的奈米材料 多分子自组装体化学 概述 分子聚集体化学是化学发展的新层次。分子聚集体化学以分子之间的弱相互作用及其协同效应为基础，自组装是创造具有新颖结构和功能的有序分子聚集体的重要手段。分子聚集体的化学为实现化学学科的知识创新提供了契机，同时它与物理、生物、材料等学科交叉融合，而成为产生新概念和高技术的重要源头之一。拟解决的关键科学问题：多层次、多组分的分子自组装及组装动态过程；分子间弱相互作用的加合性、协同性和方向性；分子聚集体中的电子转移、能量传递和化学转换。 研究内容 1、分子间相互作用的协同效应与自组装原理：通过多识别位点单体的组装，阐明分子间相互作用的加合性、协同性和方向性，建立二维及三维空间分层次组装的有效原理和方法。
分子自组装原理及应用(精)
分子自组装原理及应用 毛薇莉 无机专业 MG0424012 【摘 要】 分子自组装在生物工程技术上的建模、分子器件、表面工程以及纳米 科技领域已经有很广泛的应用。在未来的几十年中 ,分子自组装作为一种技术手段将 会在新技术领域产生巨大的影响。在这篇文章里 ,我们介绍了分子自组装技术的定 义、基本原理、分类、影响因素、表征手段等 ,并阐述了分子自组装技术目前的研究 进展,展望了分子自组装技术的应用前景。 【关键词】 分子自组装 ;自组装膜 - 、八 — 1前言 分子自组装是分子与分子在一定条件下 ,依赖非共价键分子间作用力自发连接 成结构稳定的分子聚集体的过程 [1] 。通过分子自组装我们可以得到具有新奇的光、 电、催化等功能和特性的自组装材料 ,特别是现在正在得到广泛关注的自组装膜材料 在非线性光学器件、化学生物传感器、信息存储材料以及生物大分子合成方面都有 广泛的应用前景 ,受到研究者广泛的重视和研究。 2 分子自组装的原理及特点 分子自组装的原理是利用分子与分子或分子中某一片段与另一片段之间的分子 识别,相互通过非共价作用形成具有特定排列顺序的分子聚合体 [2] 。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、 n n 堆积作用、阳离子 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 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 [4]: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 (Self- assembled monolayers , SAMs 和逐层自组装膜 (Layer -by -layer self-assembled membrane)b 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 ( L B )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。 另外,根据膜层与层之间的作用方式不同 ,自组装多层膜又可分为 两大类,除了前面所述基于化学吸附的自组装膜外 ,还包括交替沉积的自组装膜。 通过 化学吸附自组装膜技术制得的单层膜有序度高 ,化学稳定性也较好。而交替沉积自组 装膜主要指的是带相反电荷基团的聚电解质之间层与层组装而构筑起来的膜 ,这种 膜能把膜控制在分子级水平 ,是一种构筑复合有机超薄膜的有效方法。 n [3]。
超分子自组装材料的多尺度模拟研究方法
超分子自组装材料的多尺度模拟研究方法 1.1引言 超分子化学是研究基于分子间非共价键相互作用而形成的具有一定结构和功能分子聚集体的化学，在与材料科学、生命科学、信息科学、纳米科学与技术等学科的交叉融合中，超分子化学已发展成超分子科学，是21世纪新概念和高技术的重要源头之一。相较于传统化学上所研究的共价键，超分子化学的研究对象是一些较弱且具有可恢复性的分子间相互作用，如氢键、金属配位、xπ堆积、疏水效应等，这些分子间弱相互作用是促进分子识别的关键，对超分子体系的分子识别和组装有着重要意义12。 超分子材料的性能取决于基本构筑单元的分子结构，在更大程度上依赖于这些构筑单元经过自组装得到的介观尺度聚集体的结构与相态，而自组装过程又是影响超分子聚集体结构及其功能的关键因素。超分子自组装过程的影响因素极其复杂，与传统凝聚态物质相比，超分子体系具有更高的流动性及环境依赖性，而正是体系热涨落及外部环境的约束性共同导致超分子体系的新行为，主宰体系演化的机制己从凝聚态物理传统的相互作用能量机制转变为动力学和熵效应的共同作用。外部影响因素或者体系自身的耗散作用能够驱动超分子体系自组装形成各种丰富的结构，从而具有不同的功能及应用范围。
超分子体系自身结构的特点使得体系演化速度慢、松弛时间谱分布宽4.例如，单链聚合物的空间尺度从化学键键长（100m）延伸到链旋转半径（103m），而相应的时间尺度从化学键的振动（10-15可延伸到整条聚合物链的松弛和扩散（105s）。如果考虑聚合物链之间的缠结效应，聚合物链的松弛时间会更长阿。超分子自组装过程也涵盖非常大的空间和时间尺度：超分子材料的形成需要从基本构筑单元的分子尺寸（10°m）过渡到典型有序功能结构的尺寸（10m），此外有序功能结构转变动力学往往发生在微秒或更长的时间尺度上10l对于超分子材料体系而言，由于实验手段的一些限制，许多情况下很难获得这些复杂分子结构在多个尺度上的结构及动力学性质。虽然计算机硬件和算法在近些年得到快速发展，计算机模拟已经成为在各个层面研究超分子自组装材料体系不可或缺的组成部分，但到目前为止还没有一种模拟方法能够同时描述超分子组装体系微观结构、介观组装形貌及宏观材料功能等多个尺度上的性质。因此建立有效的多尺度模拟方法，增强不同尺度模拟方法之间的衔接和信息传递是一项十分紧迫的任务，这也是发展多尺度模拟方法的核心目标。由于缺少单一的模拟方法应用于超分子材料体系的多尺度分析，因此发展多尺度模拟方法的主要任务是把不同尺度上的模拟方法进行完善，同时发展对这些单一尺度模拟方法进行有效连接的手段传统意义上的计算机模拟方法是 随着计算机的发明一起发展起来的。根据研究体系运动的确定性与否分为分子动力学方法21和蒙特卡罗方法1两大类。分子动力学方法是建立在经典力学基础之上，通过求解粒子的运动方程来模拟体系随
分子自组装原理及应用
分子自组装原理及应用 【摘要】分子自组装在生物工程技术上的建模、分子器件、表面工程以及纳米科技领域已经有很广泛的应用。在未来的几十年中,分子自组装作为一种技术手段将会在新技术领域产生巨大的影响。在这篇文章里,我们介绍了分子自组装技术的定义、基本原理、分类、影响因素、表征手段等,并阐述了分子自组装技术目前的研究进展,展望了分子自组装技术的应用前景。 【关键词】分子自组装；自组装膜
molecular self-assembly technology and its research advances 【abstract】numerous self assembling systems have been developed ranging from Models to the study of biotechnology，to molecular electronics，surface engineering，and nanotechnology。In future decades, the molecules from the assembly as a technical means in the new technology will have a great influence. In this article, we introduce elements of the assembly definition, the basic principles, classifying, influence, the means of index, and describes the elements of technology from the assembly of the present development, the molecules from the assembly the future. 【Key words】molecular self-assembly；self-assembled molecular monolayer
分子自组装基础
分子自组装的原理：是利用分子与分子或分子中某一片段与另一片段之间的分子识别,相互通过非共价作用形成具有特定排列顺序的分子聚合体。 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、ππ堆积作用、阳离子π吸附作用等 自组装的产生需要两个条件: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。 分子自组装是在热力学平衡条件下进行的分子重排过程,它的影响因素主要有 三种： 1.分子识别对分子自组装的影响:分子识别可定义为某给定受体对作用物 或者给体有选择地结合并产生某种特定功能的过程,包括分子间有几何 尺寸、形状上的相互识别以及分子对氢键、ππ相互作用等非共价相互 作用力的识别 2.组分对分子自组装的影响: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 3.溶剂对分子自组装的影响: 溶剂的性质及结构上的不同都能导致自组装 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,包括溶剂的类型、密度、ｐＨ值以及浓度 多肽自组装可以分为自发型自组装和触发型自组装： 1.触发型多肽自组装是指通过改变外界环境如温度、pH、离子浓度等引导的自 组装。这类自组装具有可逆性, 为多肽自组装技术的潜在应用提供了良好的可控性。多肽自组装主要包括温度敏感、pH 敏感、光敏感以及配体-受体敏感等类型的自组装. 2.自发型自组装是指多肽溶解在水溶液中后, 可以自发地形成组装体. 3.二者都是基于二级结构如α-螺旋(α-helix)、β-折叠(β-sheet)的形成或者其自 身分子结构的两亲性.