第二章大分子自组装膜
生物大分子的组装与自组装研究
生物大分子的组装与自组装研究生命起源的奥秘一直是科学家们关注的焦点之一，生物大分子的组装与自组装研究就是其中重要的一环。
在自然界中，大分子生物物质的组装一般是通过分子间的非共价作用力来实现的。
而其中最重要的非共价作用力就是范德华力，即分子间的吸引和排斥作用力。
例如，蛋白质的折叠和DNA的双链结构就是通过范德华力来维持的。
除了范德华力，氢键、离子键、疏水作用等也是生物大分子组装的重要作用力。
这些作用力不仅构成了生物大分子的稳定结构，还使它们能够在生命的各种过程中扮演关键角色。
生物大分子还具有自组装的能力，在一定条件下能够自行聚集形成特定的结构和形态。
这种生物大分子的自组装现象使得它们能够在许多重要的生物学过程中扮演重要的角色，例如，细胞壁、细胞膜、核酸等都是通过自组装的方式形成的。
研究生物大分子的组装和自组装对于理解生命现象的本质具有重要的意义。
在此方面的研究涉及到物理、化学、生物学等多个领域。
因为生物大分子的组装和自组装涉及到分子间的微观作用，在研究中需要运用到先进的实验技术和计算方法。
目前，研究者们已经掌握了许多能够研究生物大分子组装的先进实验技术，例如，X射线晶体学、核磁共振等。
同时，计算机模拟在生物大分子组装研究中也发挥了重要的作用。
通过基于物理、化学原理的计算模拟，科学家们可以研究生物大分子的组装和自组装过程，探究其微观机制，预测其宏观行为，并且设计出新的分子结构和组装形式。
在研究生物大分子的组装和自组装方面，许多领域都有着深入研究。
其中，纳米技术和材料科学领域的研究者们探索如何将生物大分子的组装和自组装技术应用到材料合成中。
通过模仿生物大分子的自组装过程，设计出新的纳米材料，这种方法已经成为了一种重要的材料制备技术。
此外，生物大分子组装和自组装研究的另一个热点领域是药物研究。
利用生物大分子自组装的方式，科学家们可以研发出新型的药物材料，并且能够提高药物的效率和特异性。
这种方法被广泛的应用于各种药物研究中，如脂质体药物传递系统。
生物大分子的自组装原理与规律
生物大分子的自组装原理与规律生物大分子是指在细胞内或细胞外大分子量有机化合物，是生物体内很重要的分子，主要由蛋白质、核酸、多糖和脂质等构成。
它们能够自发地组装成特定的结构和功能，具有高度的有序性和复杂性。
例如，蛋白质可以自组装成许多酶，而核酸则可以组成蛋白质的合成和信息传递的基础。
生物大分子的自组装原理和规律是研究生物化学和生物物理学的重要内容。
自组装是指物质自发地组成一个有序的结构，而不需要外界干预。
自组装通常有两种形式：自聚集和自组装。
自聚集是指分子间通过非共价质量作用力形成有序聚集体，而自组装则是指分子间通过化学键形成有序结构。
自组装能够转化成有序的结构来存储和转移信息，对于生物体的正常生理功能和遗传信息传递起到至关重要的作用。
生物大分子的自组装具有一些重要的规律和原理。
首先，生物大分子的自组装是基于其特定的结构和序列。
例如，核酸的基本单元是核苷酸，而每个核苷酸都有特定的序列和结构，不同的序列和结构会导致不同的组装行为。
其次，疏水作用是生物大分子自组装的关键因素之一。
许多生物大分子有疏水和亲水区域，而疏水作用能够促进水分子和亲水区域分子之间的相互作用，从而导致分子的自聚集和自组装。
第三，生物大分子的自组装还与环境和外部条件有关。
例如，溶液中的pH、温度、离子浓度都可以影响生物大分子的形态和组装行为。
在生物大分子自组装的基础上，许多生物体和生物过程也是通过自组装来完成的。
例如，病毒利用自组装来合成和包装新的病毒颗粒，从而感染宿主细胞。
而许多药物的作用机理也涉及到与生物大分子的自组装相关。
对生物大分子的自组装规律和原理的深入理解有助于药物研发和生物技术的发展。
总之，生物大分子的自组装是生命科学的一个重要领域，其规律和原理涉及到生物化学、生物物理学、分子生物学等多个学科。
因此，对自组装的深入了解和研究将有助于解决许多重要的科学问题和应用领域。
分子自组装膜的结构 形成机理和表面化学反应
化学通报 2002 年 第 65 卷
w034
表面原子通过强作用力结合而固定 取向是指有机组装分子在表面的排列有序度 通过红外光谱 可以分辨出分子间的排列紧凑程度是结晶状还是类液态 对于 Au /硫醇体系 虽然 Au 和 S 的结 合能(约为 160 kJ mol－1)比长碳链间的范德华力(约几十 kJ mol－1)大得多 但是定位性强即 S 与 Au 牢固的结合并不意味着其取向性好 长碳链可以在固体表面形成非常紧密有序的结晶状态 也可以是无序的[7] 活性头基与基底的结合力强弱决定了组装分子能否在表面成膜 是成膜的先 决条件 而且要形成稳定的 SAMs 头基与基底需满足在外界环境作用下不发生分解反应 即能 稳定存在 S 和 Au 的化学作用力很强 而且非常稳定 而硅烷类化合物容易生成低聚物 难以 形成成分单一的分子自组装膜[1] 这也是人们更热衷于研究硫醇/金的组装体系的原因之一 1.2 范德华力和奇-偶效应
末端基团
XX XX
末端基团之间的特殊作用力
包括偶极作用 氢键 和静电作用力等
烷基长碳链
分子间作用力
极性头基
S SSS
化学键作用力
Au
图 1 有机硫醇在 Au 表面的 SAMs 结构示意图 Fig.1 The schematic representation of gold/thiols SAMs
1.1 头基与基底的结合能力 SAMs 的结构是由组装分子在表面的定位和取向所决定的 所谓定位是指分子的头基与基底
分子自组装膜(Self-assembled monolayers, SAMs)是分子在溶液(或气态)中自发地通过强键作 用力(如共价键 静电作用力 配位键等)牢固地与基质结合形成的高度有序 低缺陷的单分子膜
大分子自组装的原理和应用
大分子自组装的原理和应用随着科技的不断发展，自组装技术在生物医学、纳米技术、材料科学等领域中得到广泛应用。
大分子自组装作为一种重要的自组装方式，在这些领域中发挥着越来越重要的作用。
本文将就大分子自组装的原理和应用展开讨论。
一、自组装的概念和分类自组装是指无外部控制下，分子从无序的状态自发组装成有序的结构。
根据组装过程中所需要的能量来源不同，自组装分为热力学自组装和荧光自组装。
根据分子大小和结构类型，自组装又可分为小分子自组装和大分子自组装。
二、大分子自组装的原理大分子自组装过程中，分子之间主要靠相互作用力相互吸引，使它们形成自组装体。
当大分子在溶液或介质中处于非平衡状态时，为了获得平衡状态，这些张力很大的大分子就会自发地组装形成稳定的有序体系。
大分子自组装的原理还有很多，如疏水作用、静电作用、氢键作用、范德华作用等。
这些作用影响自组装体的形态和稳定性，并为其应用提供了理论依据。
三、大分子自组装的应用1.智能材料利用大分子自组装的能力，可以将一些感应机制设计到材料中，使材料在特定环境下具有智能化的响应行为。
如，通过磁场的作用使大分子材料发生定向组装，从而获得磁响应性能。
2.药物传递系统大分子自组装体的大小和形态可以通过分子设计和自组装条件的控制来调控，从而实现药物的长时间缓慢释放，以达到治疗目的。
如，在药物触发下发生自组装，从而用于小分子物质刺激响应传递药物的目的。
3.生物检测大分子自组装的物理和化学性质，使其可以被用于生物分子的检测。
通过分子设计和表面修饰，可以使其与目标生物分子特异性结合，从而进行检测。
如，以随时适应细胞生长环境的自组装大分子用于细胞标记物的检测。
4.光催化大分子自组装在光催化反应中起重要作用。
通过控制自组装体的大小、形态和表面性质，使其适应不同的光催化反应，提高光合成效率。
如，以纳米棒自组装体作为模板，通过光催化反应制备出具有优异性能的双氧水分解催化剂。
四、结论大分子自组装是一种十分重要的自组装方式，在材料科学、生物医学、纳米技术等领域中应用广泛。
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。
第二章 大分子自组装膜
第二节 大分子自组装单分子膜( SAMS)
二、SAMs 的形成机理 • 硫醇在Au 表面的吸附生长过程可分为两步： • 第一步为硫醇在Au 表面的吸附过程，其吸附速 度与表面空位的数量成正比。这一步非常快只需 几分钟，该步结束后，SAMs 膜的接触角已接近 其极限值，膜厚达到完全成膜后的80% ~90%。 同时这一步的完成时间与硫醇的浓度密切相关， 1mmol/L 的硫醇在表面的吸附只需1min， 而1 ｕmol/L 的硫醇则需100min 。 • 该吸附过程是由组装分子的活性头基与基底的反 应所控制的。
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第一节 大分子自组装成膜技术概述
一、什么是大分子自组装膜？ 大分子自组装膜是大分子在溶液(或气态)中自发地
通过强键作用力(如共价键、静电作用力、配位键
和氢键等)牢固地与基质结合形成的高度有序、低
缺陷的单层或多层分子膜。
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第一节 大分子自组装成膜技术概述
分两大类：
大分子自组装单分子膜(Self-assembled monolayers, SAMs) 基于交替沉积技术的逐层自组装多层膜 (layer by layer,简称LBL)
• 优点是膜的尺寸能够通过改变聚合物链 长、溶剂性质和枝接密度来控制。
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第二节 大分子自组装单分子膜( SAMS)
一、SAMS的结构和影响膜有序性的因素
• 聚有机硅烷在Si 表面和含硫聚合物在Au 表面的分子自组装是研究最多的体系。下 面以含硫聚合物在Au 表面的SAMs 为例 讨论其结构和影响膜有序性的因素。
(3)含硫聚合物在Au、 Ag 等金属和GaAs 、InP 等半导体
材料表面的SAMs； (4)R3SiH 在Ti 、Ni、Fe、 Mo 等金属表面的SAMs。
生物大分子的自组装与调控
生物大分子的自组装与调控生物大分子是构成生物体的基础单元，包括蛋白质、核酸、多糖等。
它们可以通过自组装形成高效的生物体系，具有非常重要的调控作用。
本文将从自组装的基础原理、生物大分子自组装的方式以及调控机制等方面进行探讨。
一、自组装的基础原理自组装是指物质在没有外界干扰下自行聚合形成特定的结构的过程。
这个过程与体系中分子之间相互作用力有关，包括静电作用力、范德华力、氢键作用力等。
这些相互作用力使得分子能够自组装成高效的结构，例如磷脂双分子层和酶的含量结构等。
在生物体中，生物大分子的自组装也起着非常重要的作用。
例如，细胞膜是由脂类分子自组装形成的磷脂双分子层，在细胞内部，各种蛋白质通过自组装形成复杂的功能性结构，如肌肉纤维和微管等。
二、生物大分子自组装的方式生物大分子的自组装方式包括两种：线性自组装和供体-受体自组装。
1、线性自组装线性自组装是指分子之间按照一定的方向、顺序和距离排列，形成线性结构。
例如，肌红蛋白就是由线性排列的球形蛋白质单元组成的。
线性自组装的条件是分子之间存在一定的方向性和互相作用的特殊结构，如氢键、离子键等。
此外，还需要一些外界因素的介入，如温度、离子浓度等。
2、供体-受体自组装供体-受体自组装是指供体分子和受体分子之间通过互相作用以及空间排布来自组装形成结构。
例如，两个不同的蛋白质之间通过互相作用形成酶-底物复合物等。
这种自组装方式需要复杂的分子间作用力和相互匹配的结构。
当两个分子之间的空间、构象和化学性质都相互吻合时，它们会形成非常稳定的结构，在细胞体内发挥重要作用。
三、生物大分子自组装的调控机制生物大分子的自组装是一个复杂的过程，需要通过调控来实现。
细胞通过多种途径对自组装进行调节，从而实现对生物体的精确控制。
1、生物大分子的表达调控正常情况下，细胞只会在特定的阶段和位置表达某种蛋白质或核酸。
这种表达调控可以通过多种方式实现，如转录因子和RNA的调控等。
2、生物大分子的后转录调控细胞对已经表达的基因产物也会进行后转录调控。
生物大分子的纳米尺度自组装
生物大分子的纳米尺度自组装生物大分子的纳米尺度自组装是一种自然的现象，这种自组装可以使高分子物质形成复杂的结构和功能，例如蛋白质、核酸等生物大分子可以自发地组装成具有复杂生命功能的生物大分子结构。
本文将从生物大分子的自组装现象、自组装方式和自组装技术等方面进行探讨。
一、生物大分子的自组装现象生物大分子的自组装现象可以追溯到20世纪初，当时科学家在研究凝胶过程时，发现蛋白质和其他高分子往往会自发地组装成复杂的结构，这种现象被称为“自组装”。
近年来，随着纳米技术和生物技术的发展，人们对生物大分子的纳米尺度自组装现象进行了深入的研究。
在生物大分子的自组装中，分子之间的相互作用起着极为重要的作用。
例如，氢键、范德华力、静电作用等相互作用可以使生物大分子形成复杂的结构和功能。
二、生物大分子的自组装方式生物大分子的自组装方式可以分为两种，一种是非共价自组装，另一种是共价自组装。
非共价自组装是指生物大分子之间通过氢键、范德华力、静电作用等相互作用而形成的结构。
例如，由核酸形成的双螺旋结构、由蛋白质形成的三级结构等。
共价自组装是指通过共价键连接的生物大分子之间的结构。
例如，通过酯键连接的脂肪酸分子可以自组装成脂质体结构，通过肽键连接的氨基酸可以自组装成多肽结构等。
三、生物大分子的自组装技术生物大分子的自组装技术是一种重要的纳米技术，可以用于制备纳米级别的药物、材料等。
例如，通过将药物包装在纳米脂质体中可以改善药物的生物利用度和药效。
生物大分子的自组装技术还可以用于制备人造细胞和生物传感器等。
例如，将有机分子、蛋白质等植入人造细胞中，可以使其具有类似于天然细胞的功能。
生物传感器则可以利用生物大分子的识别特性来检测环境中的污染物、药物等。
同时，生物大分子的自组装技术也存在一定的挑战和问题。
例如，如何将生物大分子按照设计的方式组装成具有特定结构和功能的纳米材料，如何控制自组装过程中的动力学现象等。
总之，生物大分子的纳米尺度自组装是一个具有广泛应用前景的领域。
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第一节 大分子自组装成膜技术概述 第二节 大分子自组装单分子膜( SAM) 第自组装膜
在过去的二三十年间，材料科学已从传统的无机金属材料 发展成为包含有机、聚合物及生物等多学科交叉的领域。 一方面，新兴的复合材料使得各种不同材料之间可以取长 补短，充分发挥它们各自的特长，与单一材料相比在结构 和功能两个方面都有质的飞跃；另一方面，许多高级的器 件功能，比如电子和能量转移，光能、化学能转化等，也 是来自于复合材料中某些物理化学过程或多个化学转换过 程的结合。
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第二节 大分子自组装单分子膜 ( SAMS)
一、SAMS 的结构和影响膜有序性的因素 ? 1. 头基与基底的结合能力 ? 对于Au / 硫醇体系虽然Au 和S 的结合能 (约为160 kJ mol -1 )比长碳链间的范德华 力(约几十kJ mol -1 )大得多，定位性强即S 与Au 牢固的结合，但是并不意味着其取 向性好，长碳链可以在固体表面形成非常 紧密有序的结晶状态，也可以是无序的。
一、SAMS 的结构和影响膜有序性的因素
1. 头基与基底的结合能力 ? SAMs 的结构是由 组装分子在表面的定位 和取向
所决定的。 ? 所谓定位是指分子的头基与基底表面原子通过强作
用力结合而固定； ? 取向是指有机组装分子在表面的排列有序度，通过
红外光谱可以分辨出分子间的排列紧凑程度是结晶 状还是类液态。
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第一节 大分子自组装成膜技术概述
二、主要的大分子自组装成膜技术 1 、化学吸附技术： (1) 含羧基聚合物在Ag 、AgO 、Al 2O 3 和CuO 表面的
SAMs ； (2) 聚有机硅烷类在Si 、SiO 2 和硅聚合物表面的SAMs ； (3) 含硫聚合物在Au 、 Ag 等金属和GaAs 、InP 等半导体
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第一节 大分子自组装成膜技术概述
分子交替沉积技术示意图
这种分子水平层层组装过程为能够从分子水平控制膜厚度及 多层膜的结构成为可能, 被成功用于各种聚电解质的组装。
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第一节 大分子自组装成膜技术概述
二、主要的大分子自组装成膜技术
3. 旋涂技术：旋涂技术指将配制好的聚合物溶 液滴加到高速旋转的底物表面成膜 , 其自组装 膜的超分子结构形成基于聚合物分子内或分子 间相互作用 , 自组装膜的 厚度可通过改变聚合 物浓度和底物旋转速度来控制 ．
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第二节 大分子自组装单分子膜 ( SAMS)
? 1. 头基与基底的结合能力 ? 活性头基与基底的结合力强弱决定了组装分子能否在
?大分子自组装超薄膜的有序排列可以 更好地研 究以及设计膜结构与性质关系 , 同时也是研究 高分子界面各种复杂现象的理想模型 。
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第一节 大分子自组装成膜技术概述
一、什么是大分子自组装膜？ 大分子自组装膜是大分子在溶液 (或气态)中自发地 通过强键作用力 (如共价键、静电作用力、配位键 和氢键等 )牢固地与基质结合 形成的高度有序、低 缺陷的单层或多层分子膜 。
含硫聚合物在 Au 表面的 SAMs 的结构包括三部分： 极
性头基、烷基长碳链 和末端基团如图所示。含硫聚合物
在Au 表面进行自组装的驱动力包括 S 和Au 的强化学作
用力、长碳链侧向间的范德华力 以及末端基团的特殊作
用力(包括偶极作用氢键和静电作用力等 )。
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第二节 大分子自组装单分子膜 ( SAMS )
膜复合结构已经成为可能 确定纳米级有序性和宏观方向性之间的关系
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第二章 大分子自组装膜
?大分子自组装超薄膜属于新兴的 物理、化学、 生命科学 、材料等学科相交叉的领域。
?通过自组装可以方便地得到超薄的、规整的二 维甚至三维有序的膜 , 在非线性光学器件 、化 学生物传感器 、信息存贮材料 以及生物大分子 合成方面有着广泛的应用前景。
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第一节 大分子自组装成膜技术概述
分两大类： 大分子自组装单分子膜(Self-assembled
monolayers, SAMs) 基于交替沉积技术的逐层自组装多层膜
(layer by layer, 简称LBL)
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第一节 大分子自组装成膜技术概述
二、主要的大分子自组装成膜技术 1 、化学吸附技术 2 、分子交替沉积技术 3 、旋涂技术 4 、慢蒸发溶剂法 5 、枝接成膜法
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第二章 大分子自组装膜
上述器件功能的实现依赖于其组分所处的化学微 环境，需要 对组分分子取向和组织有精确的纳米 级控制。因此，发展一种能够在纳米尺度内自由 地进行多组分复合组装的方法一直是科学家们的 一个梦想。
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第二章 大分子自组装膜
纳米尺度是联系宏观和微观的桥梁 在二维平面上通过有序组装来实现纳米尺度多层
材料表面的SAMs ； (4)R 3SiH 在Ti 、Ni 、Fe 、 Mo 等金属表面的SAMs 。
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第一节 大分子自组装成膜技术概述
二、主要的大分子自组装成膜技术 2. 分子交替沉积技术: 其原理是: 将带 正电荷的固体表面与溶液中阴离子聚电 解质接触、吸附, 然后用水洗净, 使表 面带负电, 再浸入阳离子聚电解质溶液 中取出, 表面即成正电, 如此往复进行, 即可形成多层自组装膜, 如图所示。
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第一节 大分子自组装成膜技术概述
二、主要的大分子自组装成膜技术 4. 慢蒸发溶剂技术：通过缓慢蒸发两亲性聚
合物的溶剂来获得自组装膜的方法。其中聚 合物亲水和疏水的平衡是关键性的因素。
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第一节 大分子自组装成膜技术概述
二、主要的大分子自组装成膜技术
5. 枝接成膜技术：将一端枝接在固体 表面的聚合物浸入溶剂中, 如果聚合物与 溶剂不相溶, 且枝接不均匀, 憎溶剂相 互作用使高分子链自组装成有序膜。 ? 优点是膜的尺寸能够通过改变聚合物链 长、溶剂性质和枝接密度来控制。
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第二节 大分子自组装单分子膜 ( SAMS)
一、SAMS 的结构和影响膜有序性的因素 ? 聚有机硅烷在Si 表面和含硫聚合物在Au
表面的分子自组装是研究最多的体系。下 面以含硫聚合物在Au 表面的SAMs 为例 讨论其结构和影响膜有序性的因素。
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含硫聚合物在Au 表面的SAMs 结构示意图