最新纳米技术资料3
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分子晶体、液晶、胶束、三维骨架等都可由 此制备。
纳米科技
基于分子识别的超分子合成技术及其应用
自然界中的自组装： ❖ 热力学自组装
如雨滴，它呈现出能量稳定性的形式； ❖ 编码自组装
由生命体所体现，即有机分子自组装成有 一定功能的组织器官的过程。
纳米科技
基于分子识别的超分子合成技术及其应用 超分子合成技术在纳米材料制备上的应用： ❖ 制备纳米介孔复合材料 ➢ 纳米介孔复合材料是将纳米颗粒或团簇填 充到具有介观尺度的空隙中所形成的复合体。 ➢ 分子自组装技术所得到的介孔均匀、可调。 ➢ 日本、美国、英国等国的研究成果；
纳米技术资料3
超分子体系
超分子是指两个或多个分子通过分子间 的弱相互作用（如静电力、氢键、范德华力 等）而形成的复杂有序、具有特定功能的组 织体系。
❖ 接受体与底物 ❖ 分子识别 ❖ 生物体代谢与分子识别 ❖ 分子器件
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纳米科技
基于化学吸附的自组装膜技术（SA）
纳米科技
基于物理吸附的离子自组装技术及应用
离子自组装技术是1991年由美国密歇根州立 大学的戴彻尔等人首先提出来的。 离子自组装技术：将表面带负电荷的基片浸入阳 离子聚电解质溶液中，由于静电吸引，阳离子聚 电解质吸附到基片表面，使基片表面带正电，然 后将表面带正电荷的基片再浸入阴离子聚电解质 溶液中，如此重复进行，即成多层聚电解质自组 装膜。
静电排斥和高分子链间的范德华力相互作用， 决定了单层膜的厚度。
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基于物理吸附的离子自组装技术及应用
特点： ➢ 对沉积过程或膜结构进行分子级控制； ➢ 利用连续沉积不同组分的办法，可实现层间分 子对称或非对称的二维或三维超晶格结构，从而实 现膜的光、电、磁、非线性光学性能的功能化； ➢ 可以仿真生物膜的形成； ➢ 层与层之间强烈的静电作用使膜的稳定性极好；
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录像：C60
富勒烯的物理性质
❖ C60分子的结构 碳 原 子 占 据 的 60 个
顶点位于一个半径为 0.355nm 的 球 面 上 ， 有 两种不等价的化合键， 所有的五元环均由单键 构成，而六元环则由单 键和双键交替构成。单 键和双键的长度分别为 0.145nm和0.14nm。
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富勒烯-C60的发现和命名
❖ 70年代末期天体物理学家从宇宙尘埃中发现 了碳及碳化合物团簇； ❖ 1984年劳尔芬等人发现团簇Cn具有奇异的现 象：当n<30时，n=3、11、15、19、23时Cn比较 稳定；而当n>30时，n=60、70、78、80时Cn比 较稳定。 ❖ 1985年斯莫利等人发现C60特别稳定，60个 碳原子呈立体分布，由12个五边形和20个六边 形组成，呈足球形状；
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富勒烯-C60的发现和命名
❖ 著名的建筑学家巴基敏斯 特·富勒所证明的最牢固的 薄壳拱形结构就是这样的， 因此将C60命名为巴基敏斯特 富勒烯，简称富勒烯。
❖ 1990年克拉兹摩尔和霍夫 曼在实验室中制备出了宏观 数量的C60和C70，并用红外光 谱、X射线衍射，扫描隧道显 微镜（STM）等仪器证实了 C60的笼形结构。
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基于分子识别的超分子合成技术及其应用
❖ 制备纳米管 ➢ 美 国 的 李 等 人 自 组 装 合 成 了 长 为 20 ～ 35nm、宽为2nm的分子纳米管聚集体； ➢ 美国的盖德利等自组装形成了肽纳米管。
❖ 制备纳米微粒
➢ 自组装形成的超分子尺度可控制在纳米量 级，可通过分子识别来制备不同的纳米微粒。 ➢ 美国学者成功地把Au纳米晶组装到DNA分 子上形成“纳米晶分子” 。
❖ 掺杂C60固体的超导电性 在C60固体中掺入碱 金属（K、Rb），超导转变温度升高且具有较大 的临界电流、临界磁场，又易于加工成型，很 有发展前途。
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富勒烯的物理性质
❖ C60固体的半导体特性 C60 是 继 硅 、 锗 、 砷 化镓之后，又一种新型半导体材料，有望成为 纳电子器件的基础材料。 ❖ C60的非线性光学性质 C60 具 有 优 良 的 非 线 性光学性质，可成为集成非线性光学装置的理 想材料。 ❖ C60的磁性能 C60固体具有很弱的抗磁性，以 C60制成的磁体有望替代昂贵的金属磁体，很有 应用前景。
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基于化学吸附的自组装膜技术
SA成膜的主要特征：
❖ 原位自发形成； ❖ 热力学性质稳定； ❖ 无论基底形状如何，其表面均可形成均匀一 致的覆盖层；
❖ 高密度堆积和低缺陷浓度；
❖ 分子有序排列；
❖ 可人为设计分子结构和表面结构来获得预期
的界面物理和化学性质；
❖ 有机合成和制膜有很大的灵活性。
返回
➢ 与基于化学吸附法制备有机复合膜相比，试验结 果具有很好的重复性。
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基于物理吸附的离子自组装技术及应用
举例：吉林 大学沈家骢 院士领导的 课题组组装 卟啉/酞菁 交替膜，称 为“分子沉 积膜”，简 称MD膜。
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基于分子识别的超分子合成技术及其应用
超分子合成技术：在平衡条件下，分子间通过 弱的、可逆的非共价相互作用（主要是疏水亲 水作用力、范德华力、静电引力、氢键）自发 组合形成的一类结构明确、稳定、具有某种特 定功能或性能的超分子聚集体的技术，是超分 子化学的重要组成部分。
富勒烯的物理性质
❖ C60的振动谱与电子结构 ➢ C60分子上60个碳原子共有174个振动自由 度； ➢ C60有48个可分辨的振动频率，并已被拉曼 和红外吸收实验所证实； ➢ C60的电子结构，其最高占据态有5重简并 度，最低未占据态为3重简并度，能隙为 1.9eV。
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富勒烯的物理性质
❖ 固态C60结构与相变 ➢ C60分子之间的作用主要是通过范德华力， 在室温下，形成面心立方结构； ➢ 在249K（－24℃）时，由于分子取向从无 序到有序发生了相变，形成简单立方结构。
SA成膜技术是一种基于化学反应的化学吸附。 基本方法：将有某种表面物质的基片浸入到待组 装分子的溶液或气氛中，待组装分子一端的反应 基（头基）与基片表面发生自动连续的化学反应， 在基片表面形成化学键连接的二维有序单层膜， 同层内分子间的作用力仍为范德华力；如果单层 膜表面也有具有某种反应活性的活性基，则又可 以和别的物质反应，如此重复，就构建成同质或 异质的多层膜。
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基于分子识别的超分子合成技术及其应用
自然界中的自组装： ❖ 热力学自组装
如雨滴，它呈现出能量稳定性的形式； ❖ 编码自组装
由生命体所体现，即有机分子自组装成有 一定功能的组织器官的过程。
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基于分子识别的超分子合成技术及其应用 超分子合成技术在纳米材料制备上的应用： ❖ 制备纳米介孔复合材料 ➢ 纳米介孔复合材料是将纳米颗粒或团簇填 充到具有介观尺度的空隙中所形成的复合体。 ➢ 分子自组装技术所得到的介孔均匀、可调。 ➢ 日本、美国、英国等国的研究成果；
纳米技术资料3
超分子体系
超分子是指两个或多个分子通过分子间 的弱相互作用（如静电力、氢键、范德华力 等）而形成的复杂有序、具有特定功能的组 织体系。
❖ 接受体与底物 ❖ 分子识别 ❖ 生物体代谢与分子识别 ❖ 分子器件
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基于化学吸附的自组装膜技术（SA）
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基于物理吸附的离子自组装技术及应用
离子自组装技术是1991年由美国密歇根州立 大学的戴彻尔等人首先提出来的。 离子自组装技术：将表面带负电荷的基片浸入阳 离子聚电解质溶液中，由于静电吸引，阳离子聚 电解质吸附到基片表面，使基片表面带正电，然 后将表面带正电荷的基片再浸入阴离子聚电解质 溶液中，如此重复进行，即成多层聚电解质自组 装膜。
静电排斥和高分子链间的范德华力相互作用， 决定了单层膜的厚度。
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基于物理吸附的离子自组装技术及应用
特点： ➢ 对沉积过程或膜结构进行分子级控制； ➢ 利用连续沉积不同组分的办法，可实现层间分 子对称或非对称的二维或三维超晶格结构，从而实 现膜的光、电、磁、非线性光学性能的功能化； ➢ 可以仿真生物膜的形成； ➢ 层与层之间强烈的静电作用使膜的稳定性极好；
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录像：C60
富勒烯的物理性质
❖ C60分子的结构 碳 原 子 占 据 的 60 个
顶点位于一个半径为 0.355nm 的 球 面 上 ， 有 两种不等价的化合键， 所有的五元环均由单键 构成，而六元环则由单 键和双键交替构成。单 键和双键的长度分别为 0.145nm和0.14nm。
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富勒烯-C60的发现和命名
❖ 70年代末期天体物理学家从宇宙尘埃中发现 了碳及碳化合物团簇； ❖ 1984年劳尔芬等人发现团簇Cn具有奇异的现 象：当n<30时，n=3、11、15、19、23时Cn比较 稳定；而当n>30时，n=60、70、78、80时Cn比 较稳定。 ❖ 1985年斯莫利等人发现C60特别稳定，60个 碳原子呈立体分布，由12个五边形和20个六边 形组成，呈足球形状；
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富勒烯-C60的发现和命名
❖ 著名的建筑学家巴基敏斯 特·富勒所证明的最牢固的 薄壳拱形结构就是这样的， 因此将C60命名为巴基敏斯特 富勒烯，简称富勒烯。
❖ 1990年克拉兹摩尔和霍夫 曼在实验室中制备出了宏观 数量的C60和C70，并用红外光 谱、X射线衍射，扫描隧道显 微镜（STM）等仪器证实了 C60的笼形结构。
纳米科技
基于分子识别的超分子合成技术及其应用
❖ 制备纳米管 ➢ 美 国 的 李 等 人 自 组 装 合 成 了 长 为 20 ～ 35nm、宽为2nm的分子纳米管聚集体； ➢ 美国的盖德利等自组装形成了肽纳米管。
❖ 制备纳米微粒
➢ 自组装形成的超分子尺度可控制在纳米量 级，可通过分子识别来制备不同的纳米微粒。 ➢ 美国学者成功地把Au纳米晶组装到DNA分 子上形成“纳米晶分子” 。
❖ 掺杂C60固体的超导电性 在C60固体中掺入碱 金属（K、Rb），超导转变温度升高且具有较大 的临界电流、临界磁场，又易于加工成型，很 有发展前途。
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富勒烯的物理性质
❖ C60固体的半导体特性 C60 是 继 硅 、 锗 、 砷 化镓之后，又一种新型半导体材料，有望成为 纳电子器件的基础材料。 ❖ C60的非线性光学性质 C60 具 有 优 良 的 非 线 性光学性质，可成为集成非线性光学装置的理 想材料。 ❖ C60的磁性能 C60固体具有很弱的抗磁性，以 C60制成的磁体有望替代昂贵的金属磁体，很有 应用前景。
纳米科技
基于化学吸附的自组装膜技术
SA成膜的主要特征：
❖ 原位自发形成； ❖ 热力学性质稳定； ❖ 无论基底形状如何，其表面均可形成均匀一 致的覆盖层；
❖ 高密度堆积和低缺陷浓度；
❖ 分子有序排列；
❖ 可人为设计分子结构和表面结构来获得预期
的界面物理和化学性质；
❖ 有机合成和制膜有很大的灵活性。
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➢ 与基于化学吸附法制备有机复合膜相比，试验结 果具有很好的重复性。
纳米科技
基于物理吸附的离子自组装技术及应用
举例：吉林 大学沈家骢 院士领导的 课题组组装 卟啉/酞菁 交替膜，称 为“分子沉 积膜”，简 称MD膜。
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基于分子识别的超分子合成技术及其应用
超分子合成技术：在平衡条件下，分子间通过 弱的、可逆的非共价相互作用（主要是疏水亲 水作用力、范德华力、静电引力、氢键）自发 组合形成的一类结构明确、稳定、具有某种特 定功能或性能的超分子聚集体的技术，是超分 子化学的重要组成部分。
富勒烯的物理性质
❖ C60的振动谱与电子结构 ➢ C60分子上60个碳原子共有174个振动自由 度； ➢ C60有48个可分辨的振动频率，并已被拉曼 和红外吸收实验所证实； ➢ C60的电子结构，其最高占据态有5重简并 度，最低未占据态为3重简并度，能隙为 1.9eV。
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富勒烯的物理性质
❖ 固态C60结构与相变 ➢ C60分子之间的作用主要是通过范德华力， 在室温下，形成面心立方结构； ➢ 在249K（－24℃）时，由于分子取向从无 序到有序发生了相变，形成简单立方结构。
SA成膜技术是一种基于化学反应的化学吸附。 基本方法：将有某种表面物质的基片浸入到待组 装分子的溶液或气氛中，待组装分子一端的反应 基（头基）与基片表面发生自动连续的化学反应， 在基片表面形成化学键连接的二维有序单层膜， 同层内分子间的作用力仍为范德华力；如果单层 膜表面也有具有某种反应活性的活性基，则又可 以和别的物质反应，如此重复，就构建成同质或 异质的多层膜。