大分子自组装
生物大分子体系的自组装和自组织
生物大分子体系的自组装和自组织当我们理解了生物大分子体系的自组装和自组织，我们就可以更好地理解自然界中复杂的生物现象。
在这篇文章中，我们将探讨自组装和自组织在生物大分子体系中的应用。
1. 生物大分子体系的自组装自组装是分子或物质按照一定规则组装形成更复杂结构的现象。
在生物学中，自组装存在于许多不同层次的结构中，从DNA的双螺旋结构到细胞内的微观结构都涉及自组装。
DNA双螺旋结构是自组装的一个重要例子。
DNA双螺旋结构由两个互补的DNA链以氢键键合在一起形成。
这个过程需要两条DNA链按照特定的规则对齐并进行配对。
这种自组装的结构不仅稳定而且高度规则。
同时，DNA的自复制依赖于这种双螺旋结构。
当DNA链分开时，每条链就可以作为一个模板来合成一条新的DNA链。
另一个例子是蛋白质的自组装。
蛋白质是生物体内的重要大分子，在生命活动中发挥着重要功能。
蛋白质的自组装是由氨基酸单元组成的多肽链按照一定规则折叠成复杂的三维结构。
这种结构不仅高度规则，而且可以满足不同的功能需求。
例如，酶蛋白具有催化反应的特殊功能，这个功能依赖于特定的蛋白质三维结构。
2. 生物大分子体系的自组织自组织是一个更广泛的概念，它指的是自然系统中物质和能量互作用产生的各种结构或循环。
在生物学中，自组织还涉及了可逆性和自适应性。
最简单的自组织结构可能是科学家们熟知的Turing结构。
在1952年，阿兰·图灵提出了这种自组织现象模型，它可以解释各种形态发生现象。
利用反应扩散系统，Turing模型可以模拟某些动物体表图案的产生。
生物大分子体系中的一个例子是神经元细胞内的信号传递。
神经元细胞中有众多信号转导分子，它们之间的交互能够形成大量的网络结构。
这些网络结构的特点就是自适应性。
在这个系统中，一个信号的强度对于大分子体系的组织和进化产生了极大的影响。
科学家们就是通过研究这的机理使用自组织，来对neural网络进行研究和开发。
另一个例子是生物大分子体系的细胞内细胞器和细胞骨架。
生物大分子自组装
2.姜黄素
20个氨基酸 组成，赖氨 酸和缬氨酸 交替组成两 个臂，由于 赖氨酸带电 性质，静电 斥力作用多 肽折叠成一 个发夹，缬 氨酸具有疏 水性，发夹 与发夹之间 通过疏水性 与横向氢键 得到延伸。
3.海藻酸钠
由古洛糖醛酸（记为G酸）及其立体异构体甘露 糖醛酸（记为M酸）两种结构单元以三种方式 （MM段、GG段和MG段）通过α(1-4)糖苷键链接 而成的一种无支链的线性共聚物
2.生物大分子作为自组装材料有其天然的优越性，如 碱基互补配对、氨基酸识别等等，但目前为止，相关 研究并不充分，真正能应用的工业生产的材料几乎没 有
谢谢
生物大分子自组装
目录
1.引言 2. 原理 3.影响因素 4.表征手段 5.研究进展 6.应用 7.展望
引言
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。
应用
主要用于纳米药物载体制备
主要包含蛋白质( 如明胶、白蛋白、丝蛋 白等) 和多糖( 如壳聚糖、海藻酸钠、环 糊精、果胶等) 两大类。
1.自组装肽/鞣质酸
双（N-乙酰氨基-苏氨酸） -1,5 - 戊烷二羧酸二甲酯
庚二酸（0.15克，0.94毫摩 尔）,EDAC（0.05克，0.32 毫摩尔）和1 - 羟基苯并三唑 （0.05克，0.37毫摩尔）溶 解在DMF中,该混合物被冷却 至5℃并振摇1小时。然后加 入苏氨酸甲酯盐酸盐（0.3克 ，1.8毫摩尔），和三乙胺（ 5升），5 ℃下搅拌24小时
生物大分子的自组装与自组织研究
生物大分子的自组装与自组织研究生物大分子的自组装与自组织是生物学中一个重要的研究领域。
它涉及到生命起源、细胞功能以及生物体结构形成的关键过程。
通过研究生物大分子的自组装和自组织，科学家们能够更好地理解生命现象的本质，并为生物医学和纳米技术领域的发展提供新的思路和方法。
一、生物大分子的自组装自组装是指生物大分子根据其内在的相互作用力，在无外界控制下，自行组装成具有特定结构和功能的有序体系的过程。
生物大分子的自组装是生命系统中许多重要过程的基础，包括蛋白质折叠、核酸RNA和DNA的双链形成等。
1. 蛋白质的自组装蛋白质是生物体中功能最为复杂的大分子之一。
它们通过自身的物理、化学和生物学性质，在细胞中发挥着重要的功能。
蛋白质的自组装主要通过氢键、疏水作用、静电相互作用等力来实现。
通过这些相互作用力，蛋白质分子可以在细胞内形成具有特定功能和结构的三维空间结构。
例如，蛋白质的折叠过程就是一种自组装的过程，它决定了蛋白质的功能和活性。
2. 核酸的自组装核酸是生命的遗传物质，包括DNA和RNA。
它们通过自身的碱基配对规则，实现了生物遗传信息的存储和传递。
核酸的自组装过程主要涉及到DNA的双链形成和RNA的二级结构构建。
DNA的自组装过程是通过两条互补的单链DNA分子的碱基配对，形成稳定的双螺旋结构。
RNA的自组装过程则是通过RNA分子内部碱基间的碱基配对，形成具有特定功能和结构的RNA分子。
二、生物大分子的自组织自组织是指生物大分子在外界作用下，根据自身的内部规律形成具有复杂结构和功能的有序体系的过程。
自组织过程常常涉及到非平衡态力学和动力学的调控。
生物大分子的自组织是生物体形成有序结构的基础，如细胞膜的形成、细胞器的组织等。
1. 细胞膜的自组织细胞膜是生物体内细胞和外界环境之间的界面。
它的形成和维持对细胞的功能和生存非常关键。
细胞膜的自组织是通过脂质分子的自组装形成的。
脂质分子在水性环境中可以自发地形成脂质双分子层，其中疏水的脂质分子朝内，亲水的脂质分子朝外。
生物大分子自组装及其应用研究
生物大分子自组装及其应用研究随着科学技术的不断进步，研究人员们在生物大分子自组装方面的研究也越来越深入。
自组装是指分子自行排列组合形成有序结构的现象，这些大分子在自组装过程中形成的结构具有特殊的性质，因此得到了广泛的关注。
本文将介绍生物大分子自组装的概念及其应用研究方向。
一、生物大分子的自组装概念生物大分子是生物体中具有生物功能的大分子，包括核酸、蛋白质和多糖。
这些大分子在生物体内都有特定的空间结构，这种结构是由它们在自组装过程中形成的。
生物大分子自组装是指在适宜的条件下，大分子分子间发生特定的相互作用，使其形成特定的结构。
这个过程可以是根据特定的序列信息，也可以是根据大分子本身的物理化学性质。
例如，核酸自组装是基于Watson-Crick配对规则实现碱基互补配对等，而蛋白质的三级结构则是由大分子之间的相互作用力所决定的。
生物大分子通过这种自组装过程，形成了特定的生物功能结构，比如DNA双螺旋结构，蛋白质的折叠结构等。
二、生物大分子自组装的应用研究方向生物大分子自组装研究的应用领域非常广泛，以下我们将介绍其中四个主要的研究方向。
1.纳米材料制备生物大分子自组装的过程通常在纳米尺度下进行，这使得它成为纳米材料制备的理想途径。
以DNA为例，科学家们已经成功利用DNA自组装制备了各种形态的纳米结构，包括纳米管、纳米球、纳米片等。
这些DNA纳米结构具有很多潜在的应用价值，例如用于制备纳米电路、药物传递等。
此外，蛋白质和多糖也可以用于制备纳米结构，例如利用蛋白质的自组装形成具有特定形态和性能的纳米颗粒。
2.生物传感器生物大分子自组装可以被用于创建高灵敏度的生物传感器。
这是因为自组装的大分子结构可以通过增加或减小结构的对称性、旋转和变形等方式，产生与环境变化相关的信号响应。
例如，一些科学家已经成功利用具有特定序列和结构的DNA分子，制备出一种能够检测特定靶分子的DNA 生物传感器，并且可以快速、准确、稳定地检测分子浓度，这对于诊断医学和生化研究具有重要意义。
生物大分子的自组装与纳米技术应用
生物大分子的自组装与纳米技术应用随着科技的不断发展，纳米技术的应用正在越来越广泛，从医学到环境保护，从电子到食品安全，都能看到其身影。
而生物大分子的自组装，作为纳米技术的先驱者之一，也成为了纳米技术领域中的热门话题之一。
本篇文章将探讨生物大分子的自组装与纳米技术应用。
一、生物大分子的自组装原理生物大分子的自组装是指生物大分子自行组合形成纳米级别的结构。
其中，自组装分为溶剂自组装和模板自组装两种方式。
溶剂自组装是指物质在溶剂中自然形成稳定的纳米级别结构，而模板自组装则是指物质在模板的引导下形成纳米级别结构。
无论是溶剂自组装还是模板自组装，其基本原理都是靠生物大分子之间的相互作用力，实现自行组装的过程。
生物大分子有很多种类，其中有些是天然存在的，有些则是人工合成的。
这些生物大分子之间的相互作用主要有三种类型：静电相互作用、氢键相互作用以及范德华力。
静电相互作用是指正负电荷之间相互作用的力，氢键相互作用是指氢原子与非金属原子之间的化学键，而范德华力则是分子之间由于极性产生的吸引力和排斥力。
这些相互作用力共同作用，使得生物大分子能够自组装形成不同的结构。
二、生物大分子的自组装应用生物大分子的自组装不仅是一种自然现象，同时也是一种实现生物分子在纳米尺度上自组装的方法。
这种方法已经被应用于医学、材料科学、能源、环境保护等多个领域。
1. 医学应用利用生物大分子的自组装可以制备一些具有特殊功能的生物材料，用于医学领域。
例如，利用大分子自组装技术制备的纳米囊泡可以被用作药物载体，而利用DNA、蛋白质等生物大分子的自组装可以用于细胞治疗、基因检测等方面。
2. 新型材料应用生物大分子自组装技术也被广泛应用于新型材料的制备。
例如，将生物大分子和无机材料组装在一起可以制备出复合材料，具有优异的力学和物理化学性能，例如高强度、高韧性、高导电性、高储能性、高红外透过率等。
3. 环境保护应用生物大分子的自组装技术也可以用于环保领域。
生物大分子结构和自组装的研究
生物大分子结构和自组装的研究在生命科学领域中，我们常常会听到大分子、蛋白质、DNA 等概念，这些都是生物体内不可缺少的重要分子。
它们不仅构成了细胞的组成部分，更直接参与了许多重要的生命过程。
因此，研究大分子的结构和自组装过程对于理解生命机理、探究生物学问题具有重要意义。
1. 大分子的结构和功能大分子是指分子量很大的有机化合物，如蛋白质、核酸、多糖等。
其结构与功能紧密相关，探究分子结构有助于解析生物分子的功能机制。
以蛋白质为例，一个蛋白质分子由一条或多条氨基酸链组成，其结构可以分为四个层次：一级结构为氨基酸序列，二级结构为α 螺旋和β 折叠片，三级结构是蛋白质中二级结构的进一步组合，有它自己的空间构形，四级结构是由多个三级结构聚集而成的超级分子。
通过结构解析，我们可以了解到蛋白质如何与其他分子发生作用，以及其在生物体内所承担的功能。
例如，胰岛素是一种调节血糖的激素，由两个多肽链和几个硫键连接在一起组成，其结构稳定性与功能密切相关。
相似地，基因是由序列组成的序列化信息，在不同的环境下它可以通过不同的基因表达方式产生出许多不同的蛋白质，从而实现不同的功能。
2. 大分子的自组装在生物体内，大分子通常具有自组装性，即通过一定的规则与方式，分子能够自行组合成有序的结构。
例如，在细胞膜的构建过程中，磷脂分子可以自组装形成双层结构，而具有水溶性的蛋白质则通过互相吸引形成复杂结构。
这种自组装现象已经成为仿生材料、生物医学工程等领域的热点。
自组装主要包括两种方式：一种是简单的物理吸附；另一种是通过非共价键连接中心基元自组装形成高级结构。
例如，在 DNA 自组装领域中，DNA 分子通过氢键、电荷相互作用、范德华弱作用力、金属离子作为横向架桥等方式，形成具有不同形态和尺寸的 DNA 自组装结构，如 DNA 水晶、 DNA 线和 DNA 拱桥等。
除了 DNA 外，其他类型的大分子，如蛋白质和多糖分子等也具有自组装性，这些自组装结构的形成，能够调节生物分子-大分子相互作用，进而影响生物大分子的生物功能。
生物大分子自组装技术的研究与应用
生物大分子自组装技术的研究与应用生物大分子自组装技术是一种重要的研究领域，其通过在生物环境中基于对生物大分子之间相互作用的调控，实现了对大分子自定向组装的控制。
它不仅在生物学等学科领域有着广泛的应用，同时也是材料科学和纳米技术等学科的一个重要研究方向。
本文将从自组装的基本原理、应用领域以及未来发展方向等方面对这一技术进行探讨。
一、自组装的基本原理自组装是指由分散的物质基于化学或物理效应聚集形成有序结构的过程。
在生物环境中，自组装是一种基本的生物副本系统，它对于细胞机能起到了至关重要的作用。
自组装在生物大分子体系中的出现可归结为生物大分子之间的诸多相互作用影响和调控。
其中自组装的一种主要机制即为分子间的“特异性”相互作用，这些相互作用包括疏水相互作用、电荷相互作用、氢键相互作用、金属离子配位等，从而在生物大分子间形成固定的二级、三级结构从而拥有基本的生物学功能。
自组装技术利用这些相互作用进行分子之间有序排列，从而实现自组装。
二、自组装技术的应用领域自组装技术在生物科学领域有着广泛的应用。
其中一个特别重要的应用领域是药物传输系统。
自组装药物载体可以将药物包装进各种不同的自组装系统中，如固体脂质纳米粒子、胶束、微球及无机纳米颗粒中，从而实现药物的可控释放和封闭性，使其能够减少副作用、更好地吸收，同时也提高了药物的生物利用度。
此外，自组装技术在纳米材料及生物传感领域也有着广泛应用。
比如利用纳米胶束作为生物传感器的微型反应倒装系统，或是利用微影技术在微流控芯片上形成复杂的几何拓扑结构，自组装技术发挥着举足轻重的作用。
自组装技术在还包括天然产物的制备和仿生医学等方面也有广泛应用。
例如，有学者利用自组装技术来合成蛋白质骨架，并通过改变相互作用力的配比来控制它的形态和稳定性。
在仿生医学中，研究人员综合应用自组装技术和激活等技术制作出了具有自愈功能的仿生聚合物，这些都发挥着重要的应用价值。
三、自组装技术的未来发展方向自组装技术还有很多的研究方向和应用前景。
生物大分子的自组装与仿生材料
生物大分子的自组装与仿生材料自组装是指生物大分子在适当的条件下，通过非共价键相互作用，自发地形成有序的结构。
在生物界中，许多大分子都能表现出自组装的特性，如蛋白质、核酸和多糖等。
这种自组装现象不仅在自然界中普遍存在，而且被广泛运用于材料科学的仿生材料研究中，以期能够设计和制造出新型的功能材料。
本文将就生物大分子的自组装过程和仿生材料的应用进行探讨。
一、生物大分子的自组装过程1. 蛋白质的自组装蛋白质是生物体内最重要的大分子之一，其自组装现象被广泛研究。
蛋白质在特定的条件下可以通过水合作用、疏水作用、氢键和范德华力等相互作用力，自发地形成各种不同结构层次的有序结构，如α螺旋、β折叠和蛋白质聚集体等。
2. 核酸的自组装核酸是生物体内的遗传物质，在细胞中具有重要的生物功能。
DNA和RNA分子通过碱基之间的氢键和π-π堆积等作用力，可以进行自组装。
例如DNA分子可以形成双螺旋结构，而RNA分子则可以形成二级结构和三级结构。
这些自组装过程为细胞的遗传信息传递和蛋白质的合成提供了基础。
3. 多糖的自组装多糖是由多个单糖分子组成的大分子，广泛存在于植物和动物体内。
多糖的自组装通常通过其分子间的氢键、范德华力或离子键等作用力实现。
例如，纤维素是由葡萄糖分子聚合而成的，通过氢键相互连接形成纤维状结构，具有很高的强度和韧性。
二、仿生材料中的生物大分子自组装应用1. 生物传感器生物大分子自组装可以用于构建高灵敏度和高选择性的生物传感器。
例如，通过将特定的配体分子与自组装的蛋白质或核酸结合，可以实现对特定分子的检测。
这种生物传感器在环境监测、医学诊断和食品安全等领域具有广泛的应用前景。
2. 药物输送系统生物大分子自组装还可以用于制备智能药物输送系统。
通过控制蛋白质或多糖的自组装行为，可以实现药物的包埋和缓释。
这种药物输送系统具有较好的生物相容性和生物可降解性，能够提高药物的稳定性和靶向性，减少副作用。
3. 材料表面修饰生物大分子的自组装还可以用于材料表面的修饰，以改善其性能和功能。
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第一节 引言
由嵌段及接枝共聚物在选择性溶剂中形成的具 有核-壳结构的纳米胶束，在药物，生物活性物 质，光、电、磁活性物质的负载，纳米材料制 备，合成分子结构等诸多领域已显示出良好的 应用前景。与此同时，有机高分子在溶液中自 组装行为的研究，对于揭示生物分子之间的特 殊相互作用、认识分子识别的机制、了解分子 运动机构象转变等均具有重要意义。
2
第一节 引言
嵌段共聚物是由化学性质不同的嵌段通过化 学键连接而组成的大分子。不同嵌段之间在 化学上的不相容性会导致相分离的发生。但 由于各嵌段之间是以共价键相连接的，故这 种相分离只能发生在微观的链尺度上，即形 成微相分离(microphase separation)。
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第一节 引言
由微相分离而生成的周期性的微相结构在热 力学上是稳定的，其尺度通常在5~100nm， 从而也可以看做一类纳米复合材料。正是由 于这些微相结构的存在以及与之相关的动力 学行为，使嵌段共聚物被广泛用于制造热塑 性弹性体、高抗冲工程塑料、汽车部件等。
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第二节 背景概述
与此同时，在小分子和与其络合的嵌段之间可能 发生相分离，从而在由络合物形成的相中产生新 的精细结构，形成“结构中的结构”(structure within structure)这样的相分离状态。
第三章 小分子诱导的嵌段共聚物 在溶液中的自组装
第一节 引言 第二节 背景概述 第三节 嵌段共聚物/小分子胶束结构及胶束化过程的控制 第四节 化学交联反应诱导嵌段共聚物在共同溶剂中的胶束化 第五节 展望
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第一节 引言
高分子自组装是分子组装科学领域的一个重 要的组成部分。与有机小分子相比，有机高 分子材料因其可加工性和良好的力学性能， 具有明显的优越性。其组装形成的各种高分 子材料在应用领域具有其独特的优势。而高 分子在溶液中的自组装是近年来高分子科学 中最为活跃的研究领域之一。
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第一节 引言
除了这些传统的应用外，近10年来人们又发 现可以利用嵌段共聚物内部的有序微相结构 作为模板，制备规整的人工微结构，如纳米 点或纳米管的阵列、无机介孔分子筛、光子 晶体等。
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第一节 引言
在更广泛的层次上，嵌段高聚物属于目前统称为软物质 (Soft matter)的一大类凝聚态物质中的一种。软物质又称复 杂流体(complex fluids),包括高分子熔体、高分子溶液、液 晶、表面活性剂、胶体、微乳液、DNA和生物膜等。在分 子尺度上，这类物质的主要结构特征类似于流体，比较无序； 但在更大的尺度上(10~100nm), 体系通常经自组装出现所谓 的长程有序(long-range order)。软物质最重要的特征是在 微弱外力作用能产生强烈的状态变化。软物质的自组装会形 成令人意想不到的奇特的纳米结构。
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由于嵌段共聚物在本体中根据链段相互作用 参数和组成的不同可以形成层状、柱状、球 状等多种有序结构，因而在纳米科学与技术 中有着潜在应用。要实现其应用，关键要解 决的科学问题是要实现垂直基底排列的尺寸 可调的、长程有序的大面积无缺陷的纳米排 列。
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对于更有应用价值的嵌段共聚物的薄膜体系， 表面形貌除了受嵌段共聚物的组成和相互作 用参数影响外，还在很大程度上依赖于薄膜 厚度和表面/界面场。通常对于组成对称的二 嵌段共聚物，最终的稳定形态是平行基底的 层状结构，这种结构制约了利用嵌段共聚物 纳米结构用作模板等用途。
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此项工作有几个创新点。
第一，人们通常采用在嵌段共聚物组分的玻璃化温 度以上退火的方法使链段运动发生自组装，但是对 分子量高的嵌段共聚物来说，热处理的方法不容易 达到最终平衡状态。我们采用选择性溶剂蒸汽退火 处理的方法，蒸汽中嵌段发生运动，可以形成一些 不常见的亚稳态结构和新的形貌。
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第二节 背景概述
但是，要获得不同结构参数的嵌段共聚物并 不太容易。这一点，我们可以在Polymer Source Inc.(一家出售聚合物样品的加拿大 公司)的价格表上看出。通常，结构确定的嵌 段共聚物样品的价格在每克300美元左右， 远高于黄金的价格。
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第二节 背景概述
解决途径之一： 利用具有功能端基的有机小分子与嵌段共 聚物的某一个嵌段相互作用，可以方便地 实现对嵌段共聚物结构参数的控制。
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第二节 背景概述
所使用的嵌段共聚物通常是聚 苯乙烯与聚(4-乙烯基吡啶)的 嵌段共聚物(PS-b-P4VP)；有 机小分子是末端带酚羟基的烷 基链如十九烷基苯酚(PDP)。 利用酚羟基与吡啶单元形成的 氢键，小分子与P4VP嵌段之 间形成络合物。
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第二节 背景概述
十九烷基苯酚与吡啶单元的络 合是不可逆的。通过与小分子 的络合，如同获得了一种新的 嵌段共聚物。调节小分子与吡 啶单元的比例，可以方便地调 节该嵌段共聚物的结构参数， 从而可以实现对形成的组装体 聚集态结构的调控。
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第二节 背景概述
一、小分子与嵌段共聚物的络合物在本体中的 自组装
这些参数是： 嵌段间的Flory-Huggins相互作用参数χ(与共聚物组 成有关)；共聚物的聚合度以及各个嵌段的体积分数。 该理论表明，对于强相分离的两嵌段共聚物体系，相 分离所得到的形态可以通过调节嵌段共聚物的体积比 来调节。
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Hale Waihona Puke 为了克服这个问题，韩艳春课题组通过控制薄膜的表 面/界面场，即将组成对称的二嵌段共聚物薄膜(PSb-PMMA)利用溶剂对不同嵌段的选择性不同来改变 薄膜的表面/界面场，实现了从平行于基板的片层到 垂直于基板片层结构的中间的有序转变结构。我们同 时发现，即使用同一溶剂蒸汽处理，通过控制薄膜的 溶胀程度也可以得到不同的纳米结构，实现了纳米结 构的多样化。其具体的纳米结构如图所示：
第二，我们系统研究了对链段有不同选择性的溶剂 蒸汽（即不同的薄膜边界条件）以及同一溶剂蒸汽 不同溶胀程度两方面对薄膜形貌的影响，这对于深 入理解嵌段共聚物微相分离行为有着重要意义。
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第二节 背景概述
一、小分子与嵌段共聚物的络合物在本体中的 自组装
两嵌段共聚物由于不同嵌段之间的相分离，可以形成 各种有序的结构。理论研究表明，可以用仅仅两嵌段 共聚物组成及结构有关的参数预测相分离形成的有序 结构的种类。