超分子材料——发展新型材料的突破口

超分⼦材料——发展新型材料的突破⼝
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《超分⼦材料引论》
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。

第1章介绍了针对超分⼦⾃组装体系的多尺度模拟研究⽅法和基于超分⼦体系性质构建多尺度模拟模型的必要理论基础，并针对基于模拟体系结构和热⼒学性质的粗粒化⽅案进⾏了分析和描述，最后结合当前多尺度模拟⽅法的发展趋势，对构建超分⼦体系的粗粒化⽅案进⾏了归纳、总结和展望。

第2章主要论述了分⼦间弱相互作⽤在有机发光材料的聚集态结构及光电性能调控⽅⾯扮演的重要⾓⾊。

通过⼀些典型模型体系揭⽰了分⼦构型结构、堆积结构及分⼦间距离等对有机材料发光性能的影响机制；论述了从分⼦结构及超分⼦结构两个层次优化，基于化学结构简单的有机分⼦制备⾼性能有机光电材料的新途径；展⽰了通过构建各向同性“动态”超分⼦弱相互作⽤⼒，发展具有光电应⽤潜⼒的柔性有机发光单晶的制备⽅法。

第3章主要围绕有机电致发光过程中⾃旋统计的关键科学问题，详细介绍了⼏种突破⾃旋统计限制的激发态设计新概念，包括中性⾃由基双线态、杂化局域-电荷转移态和双（超）分⼦激发态等。

有机电致发光作为新⼀代显⽰技术，其核⼼技术是发光材料，因此发展⾃主知识产权的材料体系尤为重要。

激发态性质决定发光性能，是发光材料的创新源头。

从激发态的设计与调控⼊⼿，系统描述激发态的结构设计原理、分⼦与超分⼦调控⽅法、性质表征与器件应⽤，旨在通过激发态的本质调控来突破电致发光过程中的⾃旋统计限制，促进三线态能量的利⽤、转化和规避，实现新⼀代、低成本、⾼效率有机（超）分⼦发光材料及器件应⽤。

第4章以⾃组装诱导增强⾦属纳⽶团簇荧光为切⼊点，介绍了⾦属簇⾃组装过程的调控、组装对⾦属簇发光的增强、全光谱发射的⾦属簇⾃组装材料制备，以及基于⾦属簇⾃组装材料的光电器件构筑。

着重描述了⾃组装策略对铜纳⽶簇荧光强度、发射波长、光稳定性等的重要贡献。

第5章重点讲述了光功能纳⽶晶与聚合物复合超分⼦材料，其中光功能纳⽶基元主要包含半导体纳⽶晶和碳基纳⽶点。

超分⼦作⽤⼒对聚合物纳⽶复合材料的制备、加⼯以及最终性质起重要调控作⽤。

这些纳⽶晶聚合物超分⼦复合材料在发光、光电器件及⾼折射光学材料上都有着重要应⽤。

第6章介绍了离⼦簇超分⼦复合物在不同化学环境下的界⾯和溶液组装⾏为，阐释了组装体的结构特点及组装机理。

通过组装结构的动态调控，离⼦簇超分⼦复合物在催化反应的微反应器、多功能液晶、⽣物成像及光热治疗，以及有机太阳能器件和纳⽶分离膜等⽅⾯都展现了新的应⽤潜⼒。

第7章详细介绍了各类蛋⽩质组装的新策略，阐明了其组装驱动⼒，总结了制备多维、多层次蛋⽩质组装体的设计原理与构筑⽅法，并探讨了其微观组装机理和调控机制。

依据蛋⽩质的组装结构特点，以模拟⽣物学功能为导向，列举了其在⽣物传感材料、⽣物催化材料、⽣物医学诊断和治疗材料等多个领域的应⽤。

第8章主要讲述刚－柔嵌段分⼦在⽔溶液中动态⾃组装的研究进展。

⾸先介绍了具有机械运动的管状组装体和⼆维⽚状结构，如何通过动态的机械运动使⾃组装纳⽶结构实现许多复杂的功能，例如酶促作⽤、对映体筛分等。

然后介绍通过对⾃组装策略的扩展来构筑⽣物相容性的超分⼦纳⽶结构，包括多肽纳⽶结构、糖类⾃组装体，以及这些⾃组装体的⽣物学意义。

第9章论述了具有⾃修复性能的超分⼦材料的研究进展。

⾃修复材料是能够⾃发或在⼀定刺激下可以修复其机械损伤的材料，可显著提⾼材料的安全性、稳定性并延长材料的服役寿命。

本章系统地介绍了基于超分⼦相互作⽤⼒及动态共价键的⾃修复超分⼦材料的设计理念、研究现状及未来发展⽅向。

具体介绍了具有⾃修复性能的超疏⽔/超疏油涂层、保护涂层、可穿戴电⼦器件、⾼强度体相材料及⽔凝胶等材料的研究进展，展⽰了⾃修复材料巨⼤的应⽤前景。

第10章主要介绍了基于⾮共价相互作⽤构筑的具有特种功能特性的新型超分⼦材料。

重点围绕基于超分⼦聚合物的仿⽣胶黏剂体系的构建，利⽤⾮共价作⽤设计的针对病毒颗粒的⾼效抑制剂，利⽤协同分⼦间作⽤⼒构筑的超分⼦螺旋孔材料和仿⽣离⼦通道及具有动态响应性的智能超分⼦凝胶材料。

这些研究实例从不同侧⾯展现了超分⼦组装体在材料及⽣物等交叉领域的独特魅⼒和巨⼤的应⽤潜⼒。

我们期望随着多学科的深⼊交叉与融合，进⼀步拓展超分⼦材料的功能与应⽤。

第11章主要涉及表⾯增强拉曼散射（SERS）活性材料与超分⼦表征。

重点归纳了半导体SERS 活性材料的发展、种类及其增强特性。

从表⾯等离激元共振和⽶⽒共振两个⽅⾯探讨了半导体材料的物理增强机理，并依据电荷转移共振和激⼦共振理论详细讨论了半导体材料的化学增强机理，进⽽总结了半导体SERS的选择定则。

应⽤研究部分重点概括了化学增强理论⽤于解释分⼦间氢键对吸附分⼦的电⼦结构及体系电荷转移的影响，并介绍了基于SERS 的⾮标记⼿性对映体识别⽅法。

第12章讲述了单分⼦⼒谱在超分⼦材料研究领域应⽤的新进展。

⾸先简要介绍了基于光镊、磁镊和原⼦⼒显微镜（AFM）的单分⼦⼒谱技术。

接着分别阐述了AFM单分⼦⼒谱在孤⽴体分⼦系、超分⼦组装体系中各种组装推动⼒研究中的应⽤，以及基于单分⼦⼒谱实验结果设计、制备具有不同⼒响应性的结构单元，继⽽构建具有新颖⼒学性能的超分⼦仿⽣材料、⾃修复材料、多重⼒学响应材料等⽅⾯的进展。

同时，还简要介绍了近年来AFM单分⼦⼒谱技术在快速、⾼灵敏检测等⽅⾯的进展。

《超分⼦材料引论》⼀书。

标题为编者所加。

本⽂摘编⾃沈家骢、张⽂科、孙俊奇
沈家骢、张⽂科、孙俊奇等著《超分⼦材料引论》
作者简介
沈家骢
吉林⼤学教授，博⼠⽣导师，中国科学院院⼠。

1952年毕业于浙江⼤学化学系。

曾在美国作为客座教授访问讲学1年。

长期从事超分⼦组装与功能，聚合反应微观动⼒学，光电信息材料，⼈⼯模拟酶等⽅⾯的研究，取得了重要的创新性成果。

于1989，2005，2009，2010年先后四次获国家⾃然科学⼆等奖。

曾任吉林⼤学化学系主任、研究⽣院副院长、副校长，国家教委科技委委员兼任化学部主任，中国科学院化学学部常委，国家⾃然科学基⾦委⾼分⼦学科评审组成员、组长，纯粹与应⽤化学协会（IUPAC）聚合过程与聚合动⼒学模型化⼯组（Working Party）成员，曾任《⾼等学校化学学报》编委、副主编，《⾼分⼦学报》编委，《⾼分⼦材料科学与⼯程》编委等。

张⽂科
吉林⼤学教授，博⼠⽣导师，国家杰出青年科学基⾦获得者，⼊选中组部“万⼈计划”领军⼈才、科技部“创新⼈才推进计划”中青年科技创新领军⼈才。

2002年于吉林⼤学获得博⼠学位，2003年⾄2007年在英国诺丁汉⼤学从事博⼠后研究，2007年6⽉回到吉林⼤学超分⼦结构与材料国家重点实验室⼯作，被聘为教授。

长期从事聚合物单分⼦⼒谱研究，近年来在超分⼦组装体的分⼦间相互作⽤及组装推动⼒⽅⾯取得⼀系列重要的创新性成果，发表在Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.等重要国际期刊上，并受到国际同⾏的⼴泛关注与积极评价。

主持国家重⼤科研仪器研制项⽬（⾃由申请）及基⾦委⾯上等项⽬。

担任中国化学会⾼分⼦学科委员会、⽣物物理化学专业委员会、超分⼦化学专业委员会委员。

AIMS Biophysics及Langmuir杂志编委。

孙俊奇
吉林⼤学教授，博⼠⽣导师，国家杰出青年科学基⾦获得者，中国化学会青年化学奖获得者，⼊选中组部“万⼈计划”领军⼈才、科技部“创新⼈才推进计划”中青年科技创新领军⼈才。

2001年于吉林⼤学获得博⼠学位，其后在⽇本理化学研究所(RIKEN)从事博⼠后研究。

2003年回到吉林⼤学超分⼦结构与材料国家重点实验室⼯作，被聘为教授。

致⼒于⾃修复/可循环利⽤聚合物材料、聚合物复合膜的构筑及动态功能的研究，发展了基于聚合物复合物的多级次、多组分的层层组装膜的构筑⽅法，实现了聚合物材料的修复及循环利⽤、智能响应等功能。

研究成果
被Chemistry World、Nature China、Noteworthy Chemistry和国家⾃然科学基⾦委等媒体及机构给予报道。

担任中国化学会⾼分⼦学科委员会、超分⼦化学专业委员会委员。

2013-2015年任Langmuir杂志编委。

现在担任《⾼分⼦学报》、《物理化学学报》和《科学通报》编委。

内容简介
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。

超分⼦材料中对外场作⽤⾮常灵敏的分⼦间弱相互作⽤⼒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。

本书将以此为背景，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。

本书适合材料、物理、化学、⽣物等相关领域的⼤学⽣、研究⽣及研究⼈员作为教学参考和研究使⽤。

《超分⼦材料引论》
沈家骢等著
ISBN 9787030605245
责任编辑：周巧龙。