超分子与纳米材料
超分子
纳米材料
单一或单相材料：纳米粒子、纳米管、纳米线 纳米复合材料 0-0复合、0-3复合、0-2复合； 纳米组装体系、纳米尺度图案材料
2007-06-06 高分子科学与材料概论 22
纳米材料简述
纳米材料特性
CH 2
PSt嵌段：长度小，可限制 超分子结构的尺寸； 聚丁二烯嵌段： 可在高温 进行交联； 芳香嵌段：刚性，结晶能力 强，共聚物的结构妨碍形 成晶体； CF3：强极性取代基，提供 了自组装的附加驱动力；
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加热：分子量增加； SAXS：存在分层结 构； 非线性光学实验 ：超 分子结构无对称中心； CF3换成其它结构：不 能形成超分子结构；
嵌段共聚物的超分子结构 嵌段共聚物的类型
嵌段数目：两嵌段、三嵌段、多嵌段 形 状：线形、星形、H-形、-形、哑铃形…… 性 质：
溶剂亲合性（水、其它溶剂）：双亲性、单亲性； 刚、柔性：coil-rod（柔性链-刚性链）
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高分子科学与材料概论
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嵌段共聚物结构示意图
表面原子缺少相邻原子，具有不饱和性（化学活性增加）； 表面能高，吸附作用强，易聚集；
宏观量子隧道效应：
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高分子的超分子化学结构及其功能
高分子合金（混合物）中超分子结构
A和E为体心立方相 B和D为六方堆积柱 状相 C为分层相
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-堆叠
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高分子科学与材料概论
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什么是超分子？
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的应用在当今科技飞速发展的时代，材料科学作为一门关键学科，对于推动社会进步和解决各种实际问题起着至关重要的作用。
而超分子化学作为一个充满活力和创新的领域，正逐渐在材料科学中展现出其独特的魅力和巨大的应用潜力。
超分子化学，简单来说，是研究多个分子通过非共价键相互作用形成具有特定结构和功能的超分子体系的化学分支。
这些非共价键相互作用包括氢键、范德华力、静电作用、ππ堆积等。
与传统的依靠共价键形成分子的化学方法不同，超分子化学利用相对较弱但具有高度选择性和可逆性的非共价键相互作用，实现了分子自组装和自组织，从而构建出具有复杂结构和多样功能的超分子材料。
在材料科学中，超分子化学的应用十分广泛。
其中一个重要的应用领域是在纳米材料的制备方面。
通过超分子自组装，可以精确地控制纳米粒子的尺寸、形状和分布，从而赋予纳米材料独特的物理和化学性质。
例如，利用表面活性剂分子之间的相互作用，可以制备出具有特定形貌的纳米金颗粒，如纳米棒、纳米球等。
这些纳米金颗粒在催化、生物传感、药物输送等领域都有着重要的应用。
超分子化学在高分子材料领域也有着出色的表现。
通过引入超分子相互作用，可以改善高分子材料的力学性能、热性能和加工性能。
比如，利用氢键作用，可以制备出具有高强度和高韧性的超分子聚合物。
这种聚合物在受到外力作用时，氢键可以发生断裂和重组，从而吸收能量，提高材料的抗冲击性能。
此外，超分子相互作用还可以用于实现高分子材料的自修复功能。
当材料受到损伤时，通过适当的条件触发超分子相互作用，使材料能够自动修复裂缝和缺陷，延长材料的使用寿命。
在智能材料方面，超分子化学同样发挥着重要作用。
智能材料是指能够感知外界环境的变化，并做出相应响应的材料。
通过将超分子体系引入到材料中，可以实现材料对温度、pH 值、光照、电场等刺激的灵敏响应。
例如，基于冠醚和金属离子的配位作用，可以制备出温度响应型的超分子凝胶。
当温度升高时，金属离子与冠醚的配位作用减弱，导致凝胶发生相变，从固态转变为液态。
纳米材料的超分子自组装及其应用
纳米材料的超分子自组装及其应用纳米技术是当今世界科技领域中备受瞩目的研究领域之一，其多种应用已经涉及到了众多领域，如材料科学、生物学、医学等等。
在纳米技术的相关研究中，纳米材料的自组装技术一直是备受关注的热点科技之一。
本文主要介绍了纳米材料的超分子自组装的基本原理、方法以及其具有的应用前景。
一、基本原理超分子自组装是建立在化学反应的基础上，在一定条件下，引导分子间的自组装作用，而形成的具有稳定性、可控性的超分子结构，来实现一系列的功能。
纳米材料的自组装是利用纳米材料的分子间作用力，通过组装单元之间的相互吸引和排斥作用，形成具有结构、性质和功能的有序结构，常用的自组装材料主要有无机化合物（如SiO2、ZnO等）和有机化合物（如聚合物、脂肪酸、胆酸盐等）。
超分子自组装的原理是通过分子间的非共价作用力，例如氢键、范德华力、电荷相互作用和亲疏水性等作用力，促使有机分子之间产生复杂的配位作用，从而使其自组装成为分子超结构。
这种超结构具有多种形态，例如纳米片、管、球以及空心球等。
二、方法超分子自组装技术的实验步骤主要包括两个过程：前处理（分散和修饰）和自组装。
前处理的目的是为了构建具有特定化学性质和结构的原料，以及使其成为可以进行自组装的溶液。
自组装过程则包括以下步骤：先将原料溶解在溶剂中，然后通过控制溶剂和沉淀的混合方式，使原料分子在溶液中形成一个稳定的自组装结构。
其中，溶剂的选择十分重要。
有机溶剂和水，常用的是氯仿、甲醇、乙醇、二氯甲烷等，同时也可以根据不同情况及目的选择不同的溶剂。
另外，为了使组装的结构更加稳定和可控，需要在溶液中添加适当的表面活性剂，以防止组装过程中出现过度聚集的情况。
三、应用前景超分子自组装技术在纳米材料制备和应用等领域中具有广泛应用前景。
（1）生物医学领域：超分子自组装技术可以制备出具有多种形态的纳米颗粒，具有良好的生物相容性和生物可降解性能。
这种纳米颗粒具有较大的表面积和活性基团，可以作为药物载体用于癌症治疗和药物控制释放等方面。
超分子化学在纳米材料制备中的应用
超分子化学在纳米材料制备中的应用超分子化学是一种研究分子间相互作用和自组装的学科，它通过分子间相互作用构建出有序的、具有特定性质的超分子结构。
在纳米材料制备中，超分子化学发挥着重要作用，可以实现高效的、可控的纳米材料制备。
一、分子识别与自组装在超分子化学中，利用分子间的非共价相互作用（如氢键、范德华力、离子-离子相互作用等）构建起各种超分子结构。
其中，分子识别是实现自组装的重要手段。
分子可以通过末端基团、酞菁、卟啉等基团进行分子识别，实现自组装。
利用这些基团的配位作用或电荷相互作用，可以控制分子在空间上的排列方式。
例如，利用多酰胺化合物的分子间氢键相互作用，可以构建出高度有序的薄膜结构。
二、纳米胶束纳米胶束是由难溶性分子在溶液中聚集形成的微小球体。
在纳米胶束中，分子可以通过疏水作用聚集在胶束的内部，形成水包油的结构。
纳米胶束具有良好的稳定性、可控的形态和大小，因此被广泛应用于纳米材料制备中。
通过改变胶束中分子的种类、浓度和溶剂性质等因素，可以实现纳米材料的生长和形态控制。
例如，利用逆相微乳液法可以制备出尺寸可控的金纳米粒子，其尺寸可以通过微乳液中水相区域的大小来调控。
三、超分子模板法超分子模板法是利用含分子识别基团的小分子在溶液中组装形成的超分子结构，作为模板进行纳米材料生长的方法。
通过调整组成溶液和控制沉淀条件，可以制备出具有特定孔径、形态的纳米材料。
例如，利用脱氧胆酸为模板，在溶液中合成氧化铁和氧化锰纳米管，在纳米管的表面形成了特定的孔径和形态。
超分子化学在纳米材料制备中的应用，不仅可以控制纳米材料的大小、形态和结构，还可以实现纳米结构的组装和组合，构建复杂的纳米材料结构和功能。
未来，随着超分子化学和纳米材料研究的不断深入，超分子纳米材料的制备和应用将得到进一步拓展和发展。
《第3节 液晶、纳米材料与超分子》(同步训练)高中化学选择性必修2_鲁科版_2024-2025学年
《第3节液晶、纳米材料与超分子》同步训练(答案在后面)一、单项选择题（本大题有16小题，每小题3分，共48分）1、液晶是一种特殊的物质，它在一定条件下既有液体的流动性，又有晶体的有序性。
以下关于液晶的说法中，正确的是：A、液晶在所有温度下都能呈现液晶态B、液晶的分子排列与固体晶体类似，只是排列不够紧密C、液晶的分子排列随温度变化而变化，温度升高时分子排列更有序D、液晶是介于固态和气态之间的物质2、液晶分子在电场作用下会改变其排列方式，以下关于液晶分子排列方式的描述中，正确的是（）A、液晶分子的排列方式类似于液体的无序排列B、液晶分子的排列方式类似于液体的有序排列C、液晶分子的排列方式类似于晶体的有序排列，但比晶体更容易流动D、液晶分子的排列方式介于液体和晶体之间，既有液体的流动性，又有晶体的有序性3、液晶是一种具有流动性的有序排列的介态物质，它处于固体和液体之间。
液晶的分子在一定方向上存在一定程度的有序排列，而在其他方向上则呈现无序状态。
基于此，关于液晶的描述，正确的一项是：A、液晶分子在所有方向上的排列都是无序的。
B、液晶的分子排列有序程度介于固体晶体和非晶体之间。
C、液晶仅在极少数材料中存在。
D、液晶的有序排列一旦形成后，不能改变。
4、下述哪种物质不属于纳米材料？（）A、碳纳米管B、纳米银粉C、纳米硅胶D、铝5、液晶具有特殊的光学性质，下列关于液晶的描述错误的是：A. 液晶分子排列有序，但流动性较好B. 液晶在电场作用下会改变其光学性质C. 液晶广泛应用于显示技术中D. 液晶的熔点较低，易升华6、纳米材料具有许多普通材料不具备的奇特性能，如（）A. 更大的密度B. 更高的熔点C. 更强的强度D. 更高的热膨胀系数7、某纳米材料在高温下会发生相变，原本具有弹性的纳米材料在相变后变得可塑性降低，这种现象最符合以下哪种化学概念？A、液晶ogensisB、纳米孔效应C、超分子作用力D、熔融相变8、在超分子化学中，以下哪种化合物不属于超分子体系的一部分？（）A、环糊精B、DNAC、聚乙二醇D、卟啉9、液晶在特定条件下可以表现出晶体的某些特性，以下关于液晶的说法，正确的是（）A、液晶具有固定的熔点和凝固点B、所有液体都可以通过温度或压力调节变成液晶状态C、液晶的光学性质随分子排列方向的变化而变化D、液晶的分子排列是固定不变的，不会随外界条件改变而变化10、纳米粒子由于其尺寸处于原子和分子之间，因此具有一些特殊的性质。
基于超分子自组装的新型纳米材料的研究
基于超分子自组装的新型纳米材料的研究近年来，基于超分子自组装的新型纳米材料逐渐成为研究热点。
超分子自组装是指分子间的非共价相互作用使之自发地形成有序结构的现象。
利用这种自组装的原理，可以通过合理设计分子结构和物理化学条件，制备出各种形态和性质的纳米材料。
这些纳米材料在能源、电子、药物等领域有广泛应用前景。
1. 超分子自组装的基本原理超分子自组装是指由分子间的非共价相互作用，如氢键、范德华力、静电相互作用等所引起的自发组装现象。
这种自组装可以形成各种有序结构，包括非晶态、纤维状、圆柱状、板状等形态，也可以在溶液中形成胶体态、液晶态等。
超分子自组装进展迅速的原因之一是它构成的纳米结构具有多种应用上的优点，如：1) 尺寸效应，具有良好的光电性质，形态和尺寸可控;2) 具有可控性和可重复性，可以在分子、非晶体和晶体等不同层次上进行设计;3) 具有生物相容性，可以制备出生物医用材料和药物载体;4) 可以利用空腔结构制备纳米催化剂和吸附剂，提高催化和吸附性能。
2. 基于超分子自组装的新型纳米材料的研究随着科技的进步，对纳米材料的性能要求越来越高，传统的制备方法已经不足以满足需求。
传统的纳米材料制备方法包括溶胶-凝胶法、电沉积法、蒸发法、物理气相沉积法（PVD）、化学气相沉积法（CVD）、化学合成法、物理制备法等。
这些方法存在着生产过程复杂、制备成本高、能耗大、难以进行大规模制备等问题。
基于超分子自组装的新型纳米材料制备方法成为当前研究的热点之一。
这种方法简单快捷，可控性强，成本低廉，适合大规模生产。
已有很多新型纳米材料通过超分子自组装方法制备成功，欧洲、日本、美国等发达国家投入了大量资金进入基础研究，并获得了丰硕的成果。
3. 基于超分子自组装的新型纳米材料在能源领域的应用超分子自组装方法制备的新型纳米材料在能源领域有广泛应用前景。
如二维纳米结构材料的研究，是目前新兴材料领域的热点问题。
近年来，科学家通过自下而上的自组装策略，成功制备出二维纳米材料。
超分子纳米材料的组装及其应用
超分子纳米材料的组装及其应用随着纳米技术和材料学的不断发展，超分子纳米材料作为一种全新的材料已经引起了越来越广泛的关注。
它通过自组装过程将单个分子有序排列，形成层次化结构，具有良好的物理和化学性能，被广泛用于电子、光学、生物医学等领域。
本文将介绍超分子纳米材料的组装方式及其应用。
一、超分子纳米材料的组装方式超分子纳米材料是由许多分子之间的非共价相互作用，如氢键、范德华力和静电相互作用等，自行组装而成。
主要包括自组装（bottom-up）和模板法（top-down）两种方式。
（一）自组装自组装是将功能分子通过非共价相互作用自行组装成超分子结构，是一种自然界常见的物理过程。
它是通过分子间的作用力，使分子在空间中自发组装成有序、周期性的结构。
自组装方法可以扩展到许多不同的材料中，包括有机和无机分子、聚合物和生物大分子等。
此外，自组装还具有可以通过旋转、调整温度和溶剂等手段来控制结构的优点。
（二）模板法模板法是一种通过使用模板的辅助来制备超分子纳米结构的方法。
在此过程中，可将所需材料作为前体沉淀到模板上，然后通过烧结、溶解或化学反应等手段，从模板中获得所需的纳米结构。
模板法能够控制形状和尺寸，并可用于制备复杂的结构，如纳米线、纳米棒和纳米贝壳。
此外，模板法还可以通过多层模板法来获得更复杂的结构。
二、超分子纳米材料的应用（一）电子学超分子纳米材料在电子学中应用广泛。
利用超分子自组装方法制备的有机场效应晶体管（OFETs）具有优异的电化学和光学性质。
此外，许多研究结果表明，超分子纳米材料中的小分子具有良好的半导体性能，在有机太阳电池、有机场效应晶体管和有机固体激光器等领域表现出色。
（二）光学超分子纳米材料在光学领域中的应用也非常广泛。
例如，利用自组装方法制备的金属-有机纳米材料可用作优异的表面增强拉曼光谱（SERS）基底。
此外，利用自组装结构制备的超分子纳米材料可用于制备紫外线吸收剂、荧光染料和光伏材料等。
纳米材料的超分子自组装性质
纳米材料的超分子自组装性质随着科技的不断发展，纳米材料已经成为了材料科学研究的重要领域。
从微观角度来看，纳米材料的特殊结构带来了其独特的性质，这也让科学家们对其进行了越来越多的探索。
其中，纳米材料的超分子自组装性质引起了广泛的关注。
超分子自组装是指小分子或分子组装形成大分子的过程，其包括两个步骤：分子间的非共价相互作用和分子间的组装。
这个过程需要外界的初始能量来推动，最终形成了具有一定结构和功能的分子集合体。
而纳米材料作为超分子自组装的一种重要形态，具有更为复杂的结构和性质。
纳米材料的超分子自组装性质主要由其分子间相互作用力决定，其中包括疏水性、静电作用、范德华力、氢键等。
在这些相互作用力的作用下，纳米材料能够通过自组装形成具有特定结构和性质的超分子材料。
疏水性是一种非常重要的相互作用力，它能够使得分子趋向于聚集在一起。
疏水性最早是由Franklin在1936年提出的，被广泛应用于生物学和化学领域。
纳米材料的疏水性在超分子自组装方面也起到了重要作用。
例如，远红外辐射功能纳米纤维的制备就利用了这种特殊的性质。
在这种材料中，纳米纤维的部分骨架材料被功能化，形成了长链，这些长链在水中呈现出疏水性，聚集在一起并形成了纳米材料的结构。
静电作用是还一种重要的相互作用力，它起到了将分子聚集在一起的作用。
例如，聚合物-无机纳米复合材料就是通过静电作用使得聚合物分子与纳米材料相互作用形成的。
这种材料具有高度的结构稳定性和一定的机械性能，可以在某些领域得到成功的应用。
范德华力是材料科学中重要的分子间相互作用力之一，具有很强的方向性。
在纳米材料的超分子自组装中，范德华力同样起到了关键的作用。
例如，基于纳米颗粒的超分子自组装材料具有特殊的性质，具体原因就来自于范德华力在其中所起的作用。
纳米颗粒之间的交互作用由固定数量的范德华力决定，所以其优异的性质具有一定的理论基础。
除此之外，氢键也是纳米材料中起到重要作用的相互作用力之一。
纳米材料学简明教程(汪信)第五章 纳米材料超分子化学
膜转移到其他基片上。
•
ngmuir
•
谈到单分子薄膜，
首先当属LB膜(Langmuir
分子的分子量可高达数千，但它又不同于普通的大分子，这种配
合物分子不仅自身的整体尺寸在纳米尺度范围内，而且一般都具
有规则的几何构形。
4.3一些重要的超分子结构 4.3.1 无机化合物的自组装
• 4.3.1.3 配合物
•
右图总结和归纳了具
有三角形、矩形等多边形配合
物的设计模式，这些配合物组
装设计的基本构思是，充分利
4.2 自组装的概念
• 右图所示多环圆盘状纳米结构 的形成，这种ZrO2多环圆盘状纳米 结构自组装条件也是较为复杂的， 包括：氧化物种类的选择，ZrO2的 层结构比其他氧化物具有更好的韧 性，弯曲时不易断裂；前躯体及其 浓度、反应温度、反应器皿等的选 择，涉及热力学、动力学的控制； 表面活性剂及其浓度、反应体系pH 的选择，这不仅涉及热力学、动力 学的控制，还是自组装过程实现的 核心条件。在这里，使用的表面活 性剂为SDS，即十二烷基硫酸钠 （C12H25OSO3Na）或十二烷基 磺酸钠（C12H25SO3Na），组装 过程在强酸环境下进行。组装过程 中，SDS扮演着两种模板角色，首 先模板1为SDS的圆盘状胶束，它 决定了整个组装体结构中圆心的形 成，这也是自组装过程的第一步， 组装在水相中进行，圆盘状胶束的 亲水基团（—SO3—， 带负电荷） 位于胶束的外围。
4.纳米材料超分子化学
•
超分子化学作为近代
化学的重要分支，近二、三十
年来发展迅速，与此同时，超
分子化学与纳米材料研究相互
结合，相互促进，共同发展。
这里将侧重介绍纳米材料研究
中涉及的部分无机化合物、有
超分子自组装技术在材料科学中的应用
超分子自组装技术在材料科学中的应用超分子自组装技术是一种目前非常热门的材料科学技术，它是指通过分子之间的非共价作用力来实现分子自组装并形成具有复杂结构和特定功能的超分子体系。
超分子自组装技术的应用在生物医学、光电信息与能源等领域都非常广泛，同时也在材料科学中取得了不少的突破。
超分子自组装技术在材料科学中的应用主要体现在以下几个方面：一、纳米材料的制备超分子自组装技术可以用来制备各种纳米材料，如纳米片状结构、空心球状结构、纳米棒状结构等。
这些纳米材料具有特殊的形貌和性能，可以用于制备新型的高性能材料，并有望在生物医学、能源等领域得到广泛的应用。
例如，利用超分子自组装技术可以制备出具有较高比表面积、大孔径、良好的稳定性以及优异的催化活性的纳米催化剂。
另外，超分子自组装技术还可以用来制备出具有自愈合和自排水能力的纳米干凝胶材料，这对于高压水力填充土工程、地下水处理等都具有重要的应用价值。
二、功能材料的设计与合成超分子自组装技术可以用来设计并合成一些具有特定功能的材料。
例如，利用超分子自组装技术可以设计出一些自修复材料、自清洁材料、人工肌肉、智能材料等。
这些功能材料都具有良好的应用前景，并在未来的生物医学、光电信息等领域有望得到广泛的应用。
三、生物材料的研究超分子自组装技术可以用来研究生物材料的结构与功能，例如可以通过超分子自组装技术研究蛋白质的二级结构、膜蛋白的结构、生物大分子的自组装等。
这些研究对于揭示生物大分子的结构与功能、研究生物大分子的自组装过程等都具有重要的意义。
四、药物传递系统超分子自组装技术可以用来制备药物传递系统，例如利用超分子自组装技术可以制备出DNA纳米颗粒、脂质体、聚合物纳米粒子等药物传递系统，这些药物传递系统可以用于靶向治疗癌症、神经疾病等病症，并且具有较高的治疗效果。
总体而言，超分子自组装技术在材料科学中的应用前景非常广阔，具有很多具体的应用领域。
虽然该技术仍存在着一些挑战和问题，如如何实现超分子自组装的精确控制、如何实现超分子自组装的可重现性等，但随着科学技术的不断进步和发展，相信这些问题都会得到解决，并且该技术在未来的材料科学领域还会有更加广泛和深远的应用。
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表面活性剂的超分子结构
胶束（ 胶束（正、反） 球形 棒状 囊泡
（乳化剂双分子层构成囊泡壁） ）
复杂超分子结构 LB膜和多层膜 洋葱状结构 棒状结束的聚集体
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高分子科学与材料概论
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纳米材料简述
尺度： 尺度：0.1~100 nm 维数
高分子科学与材料概论
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聚苯乙烯-聚异戊二烯两嵌段共聚物 聚苯乙烯 聚异戊二烯两嵌段共聚物 聚异戊二烯
透射电子显微镜照片
小角X-散射（ 小角 散射（1 : 2 : 3 : 4 ） 散射
PSt-PI两嵌段共聚物的分层微相结构（fSt=0.64，Mn=39k） 两嵌段共聚物的分层微相结构（ 两嵌段共聚物的分层微相结构 ， ）
宏观量子隧道效应： 宏观量子隧道效应：
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高分子的超分子化学结构及其功能
高分子合金（混合物） 高分子合金（混合物）中超分子结构
A和E为体心立方相 和 为体心立方相 B和D为六方堆积柱 和 为六方堆积柱 状相 C为分层相 为分层相
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零维：纳米粒子； 一维：纳米管、纳米线； 二维：薄膜； 三维：
纳米材料
单一或单相材料：纳米粒子、纳米管、纳米线 纳米复合材料 0-0复合、0-3复合、0-2复合； 纳米组装体系、纳米尺度图案材料
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纳米材料简述
纳米材料特性
体积效应（小尺寸效应） 体积效应（小尺寸效应）：光、电、磁、化学特性和体材料 相比发生很大变化
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嵌段共聚物结构示意图
两亲性嵌段共聚物
CH2 CH COOH CH2 CH
.
rod-coil 嵌段共聚物
CH3 CH2 C COOCH3 CH CH CH CH
.
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高分子科学与材料概论
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AB两嵌段线形共聚物的超分子结构 两嵌段线形共聚物的超分子结构
超分子结构类型依赖于两个嵌段之间的相互作用： 超分子结构类型依赖于两个嵌段之间的相互作用：
分子识别是构筑 有序超分子结构 所必需的。 所必需的。
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小分子的超分子
氢键识别组装成分子饼
三聚氰胺
氰尿酸
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高分子科学与材料概论
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小分子的超分子
氢键识别、 堆叠和冠醚氢键识别、π-π堆叠和冠醚-阳离子识别的协同
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高分子科学与材料概论
PS-PB-PMMA三嵌段共聚物 （fPS=0.47、fPB=0.075） “spheres in lamellae”超分子结 构
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异戊二烯-b-苯乙烯 环氧乙烷) 聚(异戊二烯 苯乙烯 环氧乙烷 嵌段共聚物 异戊二烯 苯乙烯-b-环氧乙烷
六种有序的超分子结构： 六种有序的超分子结构： LAM (分层相)、HEX (六方柱相)、 Q230 (双 螺旋相)、Q214 (交替螺 旋相)、BCC (体心立 方相)、O70 (Fddd orthorhombic network)； 无序结构：disordered 介稳定相：HPL（变形的 层状结构 ）
相互作用（降低能量） 相互作用（降低能量） 氢键 金属原子和配位体间的配位键 疏水相互作用 π-π堆叠作用 范德华力
π-π堆叠
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高分子科学与材料概论
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什么是超分子？ 什么是超分子？
分子识别 （客体和主体，给体和受体，锁和钥匙） ）
局部的弱相互作用 弱 协同，形成 加和、协同 协同 锁和钥匙间强的分 强 子间作用力，生成 稳定的、具有特定 稳定 特定 结构的超分子。 结构
蛋白质的分子链构象及其 功能 蛋白质二级结构： α-螺旋： 头发等的α- 角蛋白 β-折叠：蚕丝的丝心蛋白概论
17
天然高分子的超分子化学（生命） 天然高分子的超分子化学（生命）
病毒的超分子结构
植物病毒：RNA和蛋白质的超分子； 动物病毒：DNA和蛋白质的超分子； 核酸居于内部，蛋白质以最简单、占有空间最为经济的方 式排列。
Macromolecules 2007, 40, 2882
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rod-coil 嵌段共聚物的超分子结构
O C4H9 CH2 CH 9 CH2 CH m CH2CH CH CH2 CHCH2 n CH2CH2O C O 3 O C CF3
PSt嵌段：长度小，可限制 嵌段： 嵌段 超分子结构的尺寸； 聚丁二烯嵌段： 聚丁二烯嵌段： 可在高温 进行交联； 芳香嵌段： 芳香嵌段：刚性，结晶能力 强，共聚物的结构妨碍形 成晶体； CF3：强极性取代基，提供 了自组装的附加驱动力；
2007-06-06 高分子科学与材料概论 3
纲 要
超分子化学
什么是超分子化学 小分子的超分子 天然高分子的超分子化学（生命） 合成高分子的超分子化学
纳米材料简述
尺度、维数、纳米材料的特性
高分子的超分子化学
高分子的共混体系 嵌段共聚物的超分子化学（固体、溶液） 高分子超分子化学的应用
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10
小分子的超分子
Zn-N配位键形成的分子盒 配位键形成的分子盒
锌-卟啉 卟啉
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高分子科学与材料概论
11
小分子的超分子
Fe-N配位键组装成的超分子 配位键组装成的超分子
联吡啶
2007-06-06
高分子科学与材料概论
12
小分子的超分子
疏水作用
环糊精接上一个疏水基团（如Ph-C4H9），这个基团 通过识别环糊精疏水性的内腔，自组装成长链。
高分子科学与材料概论
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环糊精的类别和结构
疏水性内腔 亲水性外壳
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天然高分子的超分子化学（生命） 天然高分子的超分子化学（生命）
遗传物质DNA 遗传物质
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天然高分子的超分子化学（生命） 天然高分子的超分子化学（生命）
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高分子科学与材料概论
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天然高分子的超分子化学（生命） 天然高分子的超分子化学（生命）
细胞膜（磷脂分子和蛋白质分子的超分子） 细胞膜（磷脂分子和蛋白质分子的超分子） 的超分子
磷脂分子（50 %），构成细胞膜的基本支架。 蛋白质（40 %），一类蛋白质分子镶在膜的表层， 另一类蛋白质分子嵌插或贯穿在磷脂双分子层中。
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聚苯乙烯-聚异戊二烯两嵌段共聚物 聚苯乙烯 聚异戊二烯两嵌段共聚物 聚异戊二烯
透射电子显微镜照片
小角X-散射（ 小角 散射（1 : 散射
3: 4: 7: 9）
PSt-PI-PSt（fSt=0.24，N=203 ）嵌段共聚物六方柱相 （ ，
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化学合成：通过化学键的断裂和重生来创造新 的物质。 分子化学：从化学键的结合这一层次研究物质 的结构和性质。 分子结构间接影响物质的性能，聚集态才是直 接影响物质性能的因素。 超分子构筑：通过分子间弱相互作用来形成新 的物质。 在大自然创造的物种基础上，用自然之物和自 然之和谐，人类将创造无限的物种。——列奥纳 列奥纳 多·达·芬奇 达 芬奇
生命活动的载体蛋白质
蛋白质的合成
mRNA作为模板 作为模板
tRNA结合、运载氨基酸， 结合、运载氨基酸， 结合 并与mRNA的碱基配对， 的碱基配对， 并与 的碱基配对 以合成特定的蛋白质
rRNA（核糖体RNA）结合 （核糖体 ） mRNA
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生命活动的载体蛋白质
两个嵌段亲合：均一体系； 两个嵌段排异：才会出现不同形态的超分子结构，相互作 用的强弱与共聚物的结构相关；
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聚苯乙烯-聚异戊二烯两嵌段共聚物的相图（实验测定）
fPI ：聚异戊二烯 的体积分数； N：共聚物的长度； χ：不同单元间的 相互作用参数
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超分子化学
什么是超分子？ 什么是超分子？
超分子是指由 两种或两种以上分 子依靠分子间相互 分子间相互 作用结合在一起， 作用 形成复杂的、有组 有组 织的聚集体，保持 织的聚集体 一定的完整性，使 它具有明确的微观 明确的微观 结构和宏观特性。 结构和宏观特性
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加热： 加热：分子量增加； SAXS：存在分层结 ： 构； 非线性光学实验 ：超 分子结构无对称中心； CF3换成其它结构：不 能形成超分子结构；
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C2H5OCO
物质结构的层次
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什么是超分子？ 什么是超分子？
超分子形成的因素
（能量、熵、分子识别） 能量、 分子识别）
∆G = ∆H - T∆S ∆
↑ ↑
相互作用 熵因素
相互作用（降低能量） 相互作用（降低能量）
（非共价键） 非共价键）
静电作用
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什么是超分子？ 什么是超分子？
熔点远低于体材料的相应值（冷压冶金）； 等离子体共振频率随颗粒尺寸变化（宽频微波吸收材料）； 磁性的变化：纳米磁性材料表现为超顺磁性； 电阻率发生突变：金属变成非导体，电阻温度系数发生变化；