超分子组装是自下而上创造新物质和产生新功能的重要手段。利用该方法可以构筑多级组装结构,获得动态、多功能及高性能的超分子材料。超分子材料中分子间的可逆弱相互作用为组装体的结构形态与功能调控提供了可能,从而赋予材料以刺激响应性以及自修复等优异性能。 在分子化学研究中,人们在不断深化对经典化学键认识的同时,也更多地认识到了分子间相互作用的重要性。到了20世纪70年代,法国的J. M. Lehn教授提出超分子化学的概念,并因此在1987年与其他两位美国学者一起荣获诺贝尔化学奖,将超分子化学、分子识别和主客体化学推向科学发展的前沿,从此开启了人类利用超分子化学认识世界的新层面。到了今天,超分子相互作用不仅被各个领域的科学家广泛接受,而且被用于获得大量用传统方法难以获得的新材料。吉林大学的研究集体在国际合作中,在德国科学院院士H.Ringsdorf教授(德国Mainz大学)和法国科学院院士J. M. Lehn教授(法国Strasbourg大学)等的引领下,于20世纪80年代末进入超分子化学研究领域。为了推动超分子研究在国内的开展,吉林大学沈家骢教授和张希教授与两位国际先驱者于90年代共同组织了包括“超分子体系香山科学会议”在内的一系列超分子化学方面的国际会议,以超分子体系(supramolecular system)为中心课题,不仅提高了对超分子发展的认识,也在国内培养了一批研究骨干,有效地推动了国内相关研究的快速发展。 吉林大学的超分子体系研究以层层组装复合膜与纳米微粒为起点,以能源材料(发光)为重点,聚焦在超分子结构构筑与功能导向的超分子材料,并以发现新结构作基础、功能扩展和材料导向为目标。研究集体依托“超分子结构与材料教育部重点实验室”开展工作,并于2010年正式升格为国家重点实验室。 实验室围绕超分子材料的核心目标,从基础做起,开展系统研究。目前已经发展和建立了若干个超分子材料体系,如超分子光电材料体系、以金属-离子簇为基元的无机-有机杂化体系、微粒复合材料体系、精准组装动态材料体系,以及蛋白质组装体系等,这些都将在本书逐章加以介绍。这些体系为材料研发打下了坚实的基础。在实验方法方面,发展了可以用于超分子材料表征的半导体拉曼增强光谱和单分子力学谱。 超分子材料集成了分子自身的结构信息和功能信息,亦利用分子间相互作用实现了对分子组装体的动态控制和功能协同,既有宏观表现,又可以将结构控制在微纳尺度,是未来高性能材料的突破口与新起点。实验室经过十几年的潜心研究积累,形成了对超分子材料作为很有潜力的新型材料的多方面认识,其特点可以概括如下: (1)分子间弱相互作用力(简称超分子力),具有加和性与协同性,加和起来的超分子力很强,可使材料形成稳定的拓扑结构;强作用可在外场作用下化解为弱作用;超分子力还具有高刺激响应性和很强的环境依赖性。 (2)超分子力通过组装与自组装过程形成超分子结构,超分子的组装过程是结构基元通过超分子力结合的过程,或是动态的分子识别的过程。该过程具有动态平衡性质,使超分子结构具有多元结构的特征,形成具有不同结构、不同状态、不同组成的特殊组装体。组装过程主要包括:组装与解组装、界面组装、具有耗散结构的非平衡态组装过程等,不同的组装过程可以产生不同的超分子结构及相关的结构细节。 (3)超分子结构与分子结构相互依存于多维空间之中,形成超分子体系。超分子体系是多元结构与功能的结合体,可以把不同功能的结构结合在一起,如有机与无机、刚性与柔性、亲水与亲油的结合等,将多种性能迥异或相反的结构联系在一起,或称之为对立的统一与转化;动态与静态的结合,使纳米环、螺旋纤维、纳米管及二维材料之间存在动态转化与动态平衡,使蛋白质等天然和合成材料体系中的超分子结构还具有自修复、自适应等高精度结构调节的特征。 (4)超分子结构基于超分子力的环境(外场)依赖性,赋予结构高响应性,包括不同时间尺度的响应性,有可能形成超分子芯片、多重响应体系,这就要求发展提高超分子力及超分子结构测试灵敏度的方法,如半导体拉曼增强光谱、单分子力学谱、氢键的超分子谱学等。 (5)超分子材料是由超分子力与超分子结构相组合而形成的超分子体系,具有特殊的功能,如具有弹性的单晶材料、柔性的多孔材料、油/水与水/油可转换的分离膜、不同孔径的螺旋通道、全色的单核电致发光材料、可改变孔径带开关的纳米管、自修复材料体、分子马达、纳米机器等,有很大的创新空间。 (6)超分子体系是个复杂的体系,它包括基元的分子结构、超分子结构、多元组分与多种结构等。超分子体系的研究方法要从单纯依靠有限数据的实验结果,逐步向以大数据为基础的实验结果及理论模拟与理论计算三者结合的研究方法转变。 《超分子材料引论》即以此为背景,着重论述沈家骢院士及其所在的超分子结构与材料国家重点实验室近年来在基于超分子理念的高性能光电材料、金属簇及其组装材料、生物超分子组装材料、超分子自修复材料以及超分子材料多尺度模拟和表征方法等领域所取得的主要进展。
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