超分子组装汇总
超分子自组装获得的多种拓扑结构综述
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水凝胶超分子结构自组装方式及组装形态
水凝胶超分子结构自组装方式及组装形态水凝胶是一种具有三维网络结构的高分子材料，能够在水中溶胀并保持大量水分。
由于其独特的物理和化学性质，水凝胶在生物医学、药物传递、组织工程等领域具有广泛的应用。
近年来，随着超分子化学的快速发展，水凝胶超分子结构自组装成为了研究热点，为设计和构建新型功能材料提供了新思路。
本文将详细介绍水凝胶超分子结构的自组装方式及组装形态。
一、水凝胶超分子结构自组装方式水凝胶超分子结构自组装是指通过非共价键作用（如氢键、范德华力、静电作用、π-π堆积等）使水凝胶分子在特定条件下自发地组织成有序结构的过程。
这种自组装过程具有可逆性和动态性，使得水凝胶超分子结构具有独特的刺激响应性和自修复能力。
根据自组装作用力的不同，水凝胶超分子结构自组装方式可分为以下几类：1. 氢键自组装氢键是一种较弱的相互作用力，但在水凝胶超分子结构自组装中发挥着重要作用。
通过设计含有氢键供体和受体的水凝胶分子，可以实现氢键驱动的自组装。
例如，聚乙烯醇（PVA）水凝胶中的羟基之间可以形成氢键，从而使PVA分子链在水中自组装成三维网络结构。
2. 静电自组装静电自组装是指带有相反电荷的水凝胶分子通过静电吸引作用自发地组织成有序结构。
这种方法常用于制备聚电解质水凝胶。
例如，将带有正电荷的聚阳离子和带有负电荷的聚阴离子在水溶液中混合，它们会通过静电作用自组装成水凝胶。
3. 疏水自组装疏水自组装是指疏水基团在水环境中自发聚集，从而驱动水凝胶分子的自组装。
这种方法常用于制备含有疏水基团的水凝胶。
例如，将含有疏水烷基链的聚丙烯酰胺（PAM）衍生物在水溶液中自组装，可以形成具有疏水微区的水凝胶。
二、水凝胶超分子结构组装形态水凝胶超分子结构自组装可以形成多种形态，这些形态取决于水凝胶分子的结构、自组装条件以及外部环境刺激。
以下是一些常见的水凝胶超分子结构组装形态：1. 纤维状结构纤维状结构是水凝胶超分子结构自组装中最常见的形态之一。
超分子自组装的基本原理和应用
超分子自组装的基本原理和应用超分子自组装是一种自然界普遍存在的现象，也是一种新兴的科学研究领域。
它源于分子自组装，在分子层面上实现了自组组装，从而形成了更为复杂和功能性的超分子结构。
这种自组装过程既简单又神奇，被广泛应用于化学、生物学、材料学等领域，展现出了极其广泛的应用前景。
本文将着重探讨超分子自组装的基本原理和应用。
一、超分子自组装的基本原理超分子自组装的基本原理是靠分子间的非共价作用力（如范德华力、静电作用力、氢键、疏水作用等）来实现的。
这些作用力，来源于分子间的相互作用和键合，而不是来自于共价键。
因此，这种自组装过程不仅仅是化学反应，而更像是一种热力学平衡过程。
在这种平衡过程中，自组装的超分子结构具有高度的稳定性和适应性。
同时，这种自组装也具有很高的快速性和简便性，能够在不需要外界介入的情况下自发完成。
二、超分子自组装的应用1、药物传输和纳米医疗超分子自组装可以用于药物传输和纳米医疗。
药物分子可以与载体分子（如脂质、高分子等）自组装形成纳米粒子，从而增加药物的溶解度和稳定性，提高药物的生物利用度，实现靶向释放。
同时，这种自组装的纳米结构具有良好的生物相容性和低毒性，能够用于生物传感和诊断。
2、高分子材料与超分子自组装高分子材料与超分子自组装的有机结合，不仅能够增加材料的稳定性和耐久性，而且还可以实现材料的形态调控和性能优化。
例如，超分子自组装可以用于高分子降解性的调控、表面性质的改变、荧光分子探针的设计等。
3、光、电和催化材料超分子自组装还可以应用于光、电和催化材料领域，在这些领域中，超分子自组装的特殊结构和功能起到了非常关键的作用。
例如，催化剂在吸附分子时能够通过超分子自组装的方式实现更高的活性面积和更完整的基元，从而提高催化剂的催化性能和稳定性。
在电子材料领域，超分子自组装可以用于有机半导体、薄膜太阳能电池和OLED等领域的研究。
4、功能性大分子和智能材料超分子自组装还可以用于设计功能性大分子和智能材料。
超分子化学与分子组装
超分子化学与分子组装超分子化学是一门研究分子之间相互作用及其组装形成功能性结构的学科，其研究对象为具有特殊性质和功能的超分子体系。
分子组装则是超分子化学中一个重要的概念，指的是分子通过非共价相互作用而形成的有序结构。
超分子化学与分子组装的研究在纳米科学、材料科学、生物科学等领域有着广泛的应用和重要意义。
1. 超分子化学的概念及发展历程超分子化学是20世纪60年代兴起的一门交叉学科，主要研究分子之间通过非共价相互作用组装形成有序结构的原理和方法。
随着化学合成、分析技术的不断发展，超分子化学的研究不断深入，涌现出许多具有重要科学意义和应用价值的新领域和新概念。
2. 分子组装的基本原理及方法分子组装的基本原理是分子之间通过非共价相互作用，如氢键、范德华力、离子相互作用等，形成有序的结构。
在分子组装研究中，常用的方法包括溶液组装、固体表面组装、自组装等。
通过合理设计和控制非共价相互作用的强弱、方向和空间排列，可以实现分子组装的精确控制，从而获得具有特定性质和功能的超分子体系。
3. 超分子化学在材料科学中的应用超分子化学在材料科学中有着广泛的应用，特别是在纳米材料的合成、功能性材料的设计与制备等方面。
通过合理选择或设计适当的分子，利用超分子化学的原理和方法，可以实现材料的精确控制和功能调控。
例如，通过分子自组装方法可以制备出具有特定孔径和孔壁功能的介孔材料、功能性纳米粒子等。
4. 超分子化学在生物科学中的应用超分子化学在生物科学中也有着重要的应用，例如在药物传递、生物传感等方面。
通过合理设计具有特定结构和性质的超分子体系，可以实现药物的靶向传递和释放，提高药物的疗效和减轻副作用。
同时，超分子化学的原理和方法还可以用于构建高灵敏度的生物传感器，实现对生物分子的检测和分析。
5. 超分子化学的发展趋势和挑战随着科学技术的不断进步和应用需求的不断增加，超分子化学的研究将面临一系列挑战和机遇。
在材料科学中，如何实现超分子材料的可控合成和大规模制备是一个重要的问题。
生物大分子的超分子自组装和组装
生物大分子的超分子自组装和组装生物体内存在着一大类具有超分子自组装和组装功能的大分子，这些大分子因其超分子自组装能力而被称为生物大分子。
生物大分子包括蛋白质、核酸、多糖等，它们通过自身的物化和化学性质，形成具有高度结构化和多功能性的超分子。
一、蛋白质的超分子自组装蛋白质是一种大分子化合物，在生物学中具有重要的生命活动功能。
蛋白质可以通过内在的结构相互作用，形成不同层次的超分子结构，包括原肽链结构、α-螺旋、β-折叠、域、次级结构等。
这些超分子结构对蛋白质的功能和稳定性起到了至关重要的作用。
另外，大量的蛋白质可以通过不同的组装方式形成生物体内的大分子复合体，如草酸酐酶、DNA聚合酶等，这些复合体具有高度的功能性和结构化，使得生物体内的化学反应和信号传递得以顺利进行。
此外，蛋白质自组装还可以产生一些特殊的结构，如类似鸟巢状的核酸酶RnaseA和RnaseS的三维结构，这种结构是由4个相互作用的分子通过自组装而形成的，这表明蛋白质自组装在生物体内起着非常重要的作用。
二、核酸的超分子自组装核酸是生命体内基因存储和遗传信息传递的重要分子，它是由核苷酸单体组成的大分子化合物。
核酸与蛋白质一样，也通过内在的结构相互作用来形成不同层次的超分子结构，包括原核苷酸链结构、双螺旋和三维结构等。
这些超分子结构对核酸的功能和稳定性起到了至关重要的作用。
在生物体内，核酸不仅仅是单独存在的大分子，它可以与其他大分子结合形成具有特定功能的复合物，如DNA-RNA复合物、RNA-RNA复合物等。
核酸自组装还可以在细胞中产生不同的结构，如核糖体上的资金转移RNA，其二级结构是由多个RNA分子通过互相配对而形成；还有RNA干扰的产物小RNA，其几何结构是由多个小RNA单元组成的，这些小RNA与癌细胞的某些基因相互配对，从而抑制癌细胞的生长和繁殖，实现了治疗癌症的作用。
三、多糖的超分子自组装多糖是一类具有高度分子量的天然大分子化合物，它们是由重复的单糖单元组成的大分子。
超分子自组装
施雷庭老师小组内部交流
3
Supramolecular Amphiphiles
超分子两亲分子
主--客体 相互作用
电荷转移 相互作用
氢键 配位键
施雷庭老师小组内部交流
4
Supramolecular Amphiphiles
偶氮苯与α-环糊精的主-客体相互作用
反式，低能态
顺式，高能态
施雷庭老师小组内部交流
施雷庭老师小组内部交流
8
Self-assembled Monolayers
自组装膜（ Self-assembled Monolayers ）
自组装膜是活性分子通过自发吸附在基底上生成的有序分子膜 具有取向性好、排列紧密、结构稳定等特点 广泛应用于金属防腐、材料科学、医学等领域
相对传统有lf-assembly
Apr，18, 2012
Outline
1 2 3
Supramolecular Amphiphiles Self-assembled Monolayers Layer-by-Layer Assembly
施雷庭老师小组内部交流
2
Supramolecular Amphiphiles
施雷庭老师小组内部交流
12
Self-assembled Monolayers
软 刻 蚀 （ Soft lithography ）
制作刚性硬模板
浇铸预聚物 PDMS
Au/Ti
固化后剥离 PDMS
SAM
图 1 PDMS模板的加工
图 2 微接触印刷过程
软刻蚀是一类基于自组装和复制模塑等原理的非光刻微米和纳米加工方法 技术环节主要分为弹性模板/印章的制作、微接触印刷成膜等步骤 目前, 软刻蚀技术的研究还处于初步探索阶段, 发展前景非常广阔，能够应 用于微电子、微光学、生物技术等领域 施雷庭老师小组内部交流
超分子组装
有机凝胶的发展历史和研究现状
凝胶的应用早在古代就已经出现，比如豆腐的制作，但 是针对有机凝胶的详细的研究却是上个世纪才开始的， 并在上个世纪末得到了充分的拓展．经过几十年的研究， 有机凝胶已经从过去的偶然发现发展到可针对不同的应 用目的而实施分子设计的功能性有机软固体材料
模板法合成无机材料
药物包裹与可控释放
2.2 超分子的特征
分子化学
结构单元 结合力 原子或原子团，合成 子synthon） 共价键
超分子化学
具有组装能力的分子，构筑子 （tacton） 非共价键
结构的实现 结构
性能
合成化学 分子结构
物理和化学性能
分子组装 超分子结构
物质、能量和信息传输功能
超分子的理解
汉语的构筑与超分子构筑 汉语 超分子构筑 偏旁、部首 原子、离子、原子团 汉字 分子：具有组装功能的分子 词组 分子聚集体：微粒、超分子膜、螺旋体等 句子 分子聚集体高级结构：多种结构域与亚基结合的 酶，聚集体板块结构功能化形成的分子器件 文章 化学机器：多酶组装体、超分子微型机器
（e）·· 堆叠作用 ··
面对面
边对面
（f）诱导偶极子－诱导偶极子的作用 即色散力：范德华力
超分子的稳定性－熵效应
（a）螯合效应：由螯合配位体形成的配合物比相 同配位数和相同配位原子的单啮配位体形成的 配合物稳定的效应。 （b）大环效应：和螯合效应有关，在能量因素和 熵因素上增进体系稳定性。 （c)更加有序化
优良 无需特殊的仪器 设备
膜的有序性
横向有序性不佳， 各层间有一定程 度的穿插，纵向 有序性随膜层数 的增加而减弱
较好 无需特殊的仪器 设备
膜的稳定性 制膜设备
薄膜的表征方法
超分子组装与超分子手性
超分子组装 超分子手性 超分子组装与手性的关系 超分子手性的应用前景 总结与展望
目录
CONTENT
超分子组装
01
超分子是指由两个或更多分子通过非共价键相互作用形成的复杂体系。
超分子
特点
应用领域
超分子具有自组装、自识别、自组织等特性，可以在一定条件下自发形成有序结构。
超分子在化学、生物学、医学、材料科学等领域有广泛应用。
药物筛选与设计
在药物设计中的应用
1
2
3
利用超分子手性可以制备具有特定性能的功能材料，如光电器件、磁性材料和催化材料等。
功能材料制备
超分子手性可以用于制备具有响应性和自适应能力的智能材料，如形状记忆材料和刺激响应材料。
智能材料
通过超分子手性组装，可以对材料表面进行改性，改变其润湿性、抗生物污染性和抗腐蚀性等性能。
超分子手性主要来源于超分子组装的几何排列、组分的形状或手性组分的引入。这些因素可以导致超分子结构中的不对称性，从而产生手性。
超分子手性的来源主要包括以下几个方面
超分子组装的几何排列可能导致不对称性。例如，通过特定的组装方式，可以将手性组分以不同的方式排列，从而产生超分子手性。
某些非手性组分在超分子组装过程中可能呈现出手性特征。例如，某些有机分子可以通过特定的组装方式形成螺旋形结构，从而产生手性。
在生物医学中的应用
总结与展望
05
研究进展
已成功构建多种复杂超分子结构，包括二维和三维晶体、囊泡、螺旋等。
深入理解了超分子间的弱相互作用，如氢键、π-π堆积、疏水作用等。
当前研究进展与挑战
实现了超分子组装的有序度和可控性，为功能超分子材料的发展奠定了基础。
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Langmuir-Blodgett (LB) 膜组装技术
LB设备实物图
垂直拉膜用的上下移动的 悬臂 测膜压用的膜天平， 下挂为铂吊片
LB槽
恒温循环水进出口 滑片，电脑控制移动（左右）
LB膜的制备过程
a. 在气液界面上铺展两亲分子（一头亲水，一头亲油的表面活性剂分子）。两亲分
子通常被溶在氯仿等易挥发的有机溶剂中，配成较稀的Molecular assembly, supramolecular assembly, Supermolecules， host-guest, Molecular recognition Amphiphiles, bolaamphiphile, gemini amphiphile, surfactants Self-assembled Monolayer, Layer-by-layer film, Langmuir monolayer Langmuir-Blodgett film, Multilayers, ultrathin films Surface pressure, -A isotherm Characterization method: UV-Vis, Fluorescence, FT-IR, Raman, CD AFM, STM, SEM, TEM, BAM, GIXD, XRD, XPS
超分子组装与超分子手性
胶体、界面与化学热力学实验室
刘鸣华
liumh@
提
纲
1.物质世界的层次特征 2.超分子 2.1 超分子的定义 2.2 超分子的特征 2.3 超分子的分类 2.4 超分子的稳定性 2.5 超分子的重要性 3. 几种典型的超分子体系 3.1 分子膜体系 自组装膜， LBL LB膜 3.2 小分子有机凝胶
微量注射器，用来滴加含成膜分子的溶剂，慢速滴加， 推出半滴靠在液面上
水面，需略 高于槽面。
滑片或叫滑障，手动或电 脑控制压膜
亚相：通常为高纯水（二次水）或水溶液
LB槽
b. 待几分钟溶剂挥发后，控制滑障由两边向中间压膜，速度5-10mm/min，分子
逐渐立起。
c. 进一步压缩，压至某个膜压下，分子尾链朝上紧密排在水面上时，认为形成 了稳定的Langmuir膜。
三种膜的比较
LB膜技术 主要成膜驱 动力 分子间相互作用 自组装技术 分子间相互作用 层层组装技术 分子间相互作用
主要适用研 究对象
典型两亲分子、 聚合物、 各种纳米结构等 具有优良的纵向 和横向有序性， 控制分子取向的 能力强
较差 LB仪
带有某种活性基 高分子电解质， 团的小分或聚合 生物分子 物、Au-S, Si-O, M-O 具有优良的横向 有序性，纵向有 序性随膜层数的 增加而减弱
< 10-18 m Cell 10-5 m
超分子的提出
1987年诺贝尔化学奖授予
C. Pedersen J-M. Lehn 发现冠醚化合物 发现穴醚化合物并提出 超分子概念 主客体化学先驱者
D. Cram
此后二十年, 超分子化学获得很大发展
2.1 超分子的定义
基于共价键存在分子化学，基于分子有序体和分子 间价键而存在超分子化学 分子以上（层次）的化学 Chemistry beyond molecules 超分子是指由两种或两种以上分子依靠分子间相 互作用结合在一起组成的复杂的、有组织的实体， 保持一定的完整性，使它具有明确的微观结构和宏 观特性。
＋ － +
正负基团
离子－偶极子作用
偶极子－偶极子作用
－ ＋
－ ＋
（b）氢键 常规氢键
X-H· · · · Y X, Y = F, O, N, C, Cl 非常规氢键 X-H· · · · X-H· · · · M X-H· · · · H-Y
（c）M-L配位键 金属原子和配位体间形成的共价配键为主
有机凝胶的发展历史和研究现状
凝胶的应用早在古代就已经出现，比如豆腐的制作，但 是针对有机凝胶的详细的研究却是上个世纪才开始的， 并在上个世纪末得到了充分的拓展．经过几十年的研究， 有机凝胶已经从过去的偶然发现发展到可针对不同的应 用目的而实施分子设计的功能性有机软固体材料
模板法合成无机材料
药物包裹与可控释放
2.5 超分子的重要性
1。物质结构中不可逾越的层次，承上启下， 超分子化学的研究是从分子走向生命，从分子实 现器件，功能材料的必经之路。
2。创造新物质的源泉 自然界存在和人工合成的元素百余种→近3000 万化合物→ 进一步组装，多少物质？
25 Questions by Science.
Life science Molecular recognition Molecular self-organization
在有机溶剂固化
化学传感器
光电功能材料
固体电解质
生物模拟
有机凝胶的研究热点
有机胶凝剂的分子结构对成胶能力（即成胶临界浓度的 高低）成胶范围（即可被固化的溶剂种类多少） 以及凝胶稳定性的影响及其机理？
有机胶凝剂分子的自组装形成双层或多层膜，进而自组装 成各种纳米结构的机理？胶凝剂分子在凝胶态中与在晶体 中的堆积模型有什么相同与不同之处？ 有机胶凝剂的分子结构、成胶条件（包括溶剂、浓度、 降温速度等）对成胶后三维有序结构形貌构筑的影响？ 进而对凝胶光电性能或热力学性能的影响及其机理？ 功能性有机胶凝剂分子的设计、组装体特殊结构的 构筑及其有机凝胶的功能化和应用。
1. 物质世界的层次特征
Supermolecule 10-7 m
Molecule 10-9 m
Universe Galaxy
Solar system Earth
Human organs 10-2 m
Atom
10-10 m
Nucleus Proton Neutron Quark Electron
10-14 m 10-15 m
有机凝胶的制备方法
一般地，有机凝胶可用下述方法制备得到： 在加热、超声或其它外力作用下，将一定量的有机胶凝剂 （大于成胶的临界浓度）溶于一定体积的有机溶剂中，静置， 使之慢慢冷却到凝胶转化温度以下，继续静置一段时间后， 待溶液完全固化后，如将试管倒置而没有液体流出（试管倾 斜法），说明制得了有机凝胶。 除了试管倾斜法外，另外两种在宏观上判断有机凝胶形成与 否的流变学方法是小球坠落法（将直径3mm的钢球放置在凝胶 上，钢球不坠入凝胶中）和光谱法（用有机胶凝剂不产生吸 收的波长照射装有有机凝胶的光学池，光波不能透过），其 中，试管倾斜法是最常用的方法。
a. 组成和结合形式不断变动的薄膜、囊泡、胶束、 介晶相等 b. 组成确定，具有点阵结构－晶体研究这种超分子： 晶体工程
2.4 超分子的稳定性
G = H - TS
能量因素 熵因素
超分子的稳定性－能量因素
能量因素：降低能量在于分子间键的形成。 （a）静电作用 盐键 正负离子 － ＋ R-COO－· · · · +H3N-R
Function via organization
Materials science
Order and mobility
3.1 几种典型的超分子体系
自组装单分子膜 层层组装（Layer-by-layer）薄膜
Langmuir and Langmuir-Blodgett （LB膜）
3.1.1 基于化学吸附的自组装单层膜
优良 无需特殊的仪器 设备
膜的有序性
横向有序性不佳， 各层间有一定程 度的穿插，纵向 有序性随膜层数 的增加而减弱
较好 无需特殊的仪器 设备
膜的稳定性 制膜设备
薄膜的表征方法
• • • • • • • • 紫外-可见光谱；红外光谱；荧光光谱， Raman 石英晶体微天平：检测膜的沉积动力学 电化学：氧化还原性质和表面覆盖率等 小角-X射线衍射：表征层状有序结构 X-射线光电子能谱(XPS):组成分析 扫描探针技术：表面形貌 如：原子力显微镜 (AFM) 扫描隧道显微镜 (STM) 等
3.3气/液界面的单分子膜与转移到固体表面的LB膜
两亲分子
Agnes Pockels (1862~1935)
Irving Langmuir (1881~1957)
Katharine Blodgett (1898~1979)
=go-g
－A曲线（表面压－单分子面积曲线），表征了Langmuir 膜在压膜过 程中的几个典型的状态：G（气态膜）、LE/G（液态扩张、气态共存 膜）、 LE （液态扩张膜）、LC（液态压缩膜）、S（固态膜）。许多 两亲分子只有其中的一个或两个状态。
浸泡： 固体基板 紧密堆积的有序SAM （自组装单层膜）
将基板提出晾干
含有表面活性 剂的溶液
界面功能基团
分子间作用 烷基链 表面化学吸附 表面活性基团 基底
自组装过程
利用Au-S键
共价自组装
共价自组装
=
NO2
Au 基片
SH
Synthesis
Solution
Assembly
Si-O
自组装多层膜
d. 静置几分钟后，一次或重复多次转移到固体基板上便是LB膜了，常用的两种
转移方法：
水平法： 用镊子夹住基板一端， 水平贴上膜，慢慢（由远及近） 提起。
垂直法：将基板夹在悬臂上， 仪器控制上下拉膜，速度一般 设为1-10mm/min左右。
注：基板根据测试需要可以分别是石英板（UV、CD、Flu、XRD）、硅片 （IR、XRD、SEM）、铜网（TEM) 等等。
(d) 疏水效应：溶液中疏水基团或油滴互相聚 集，增加水分子间氢键的数量。
（e）· · · · 堆叠作用
面对面
边对面
（f）诱导偶极子－诱导偶极子的作用 即色散力：范德华力
超分子的稳定性－熵效应