自组装技术-复合材料-1201

大分子化合物及其自组装

1 背景意义（引言）

材料在人类社会进步过程中有着特殊意义。从石器时代，青铜时代，铁器时代，到水泥/钢筋时代，再到硅时代，无一不体现出材料的重要作用。科学家预言，我们正步入纳米时代。

纳米是长度单位，原称毫微米，就是十亿分之一米或者说百万分之一毫米，略等于45个原子排列起来的长度。纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，研究领域为结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。

现在纳米研究正在蓬勃展开。科学家们通过实验发现，在纳米尺度的结构有很多新现象，新特征，新技术。纳米电子器件有金属块，纳米陶瓷，纳米氧化物，纳米药物，纳米卫星，以后还有纳米化妆品、纳米电冰箱、纳米洗衣机、纳米布、纳米水等新产品问世。

过去几十年间，微电子和计算机技术被广泛运用。内存的容量和运行速度以幂指数式增长。这种增长机制正是通过降低芯片的尺寸来实现的。目前，为满足客户需求，芯片尺寸已降低到100nm以内。在生物医学和人类健康领域，为了更好的诊断和治疗，纳米探测器，纳米抗体，纳米药物的研究正蓬勃展开。

在纳米尺度上实现材料表面结构和性质的加工或图案化，对现代技术的发展和理论的应用有着重要的意义，特别是新型微小结构的成功构造或现有结构的微型化。微加工或图案化技术， 除了对微电子技术中的集成电路、信息存储器件、微机电系统有巨大推动作用外，还对小型传感器、机械材料、生物载体和微型光学元件等的响应速度、成本、能耗和性能有优化作用。与此同时，纳米技术的发

展和应用融合了多门传统学科，相继衍生出多种学科门类，创造了新的理论和方法，为微观世界的研究提供了很好的契机。

然而也面临着很多困难，纳米材料在热力学、动力学、光学、磁学、电学以及化学性质方面都与宏观物体有很大的不同。首先的加工制作的困难。尺度太小，要求很精确，受传统理论的限制。比如，光刻中受衍射极限的限制，传统的方法很难获得突破性进展。此外也受形态和空间排布的影响。1959年，著名理论物理学家Feynman就提出纳米材料与技术的构想。在之后的几十年间，一直没多少人关注。纵是在1981年扫描隧道电子显微镜和在1986年原子力显微镜被发明后，纳米技术的应用仍受局限。然而到了20世纪末，随着科技的进一步发展，纳米技术的重要性终于凸显出，成为各主要发达国家重视的科技计划。

近年来在光刻、电子束刻蚀、离子刻蚀、气相沉积等物理微加工技术快速发展的同时, 利用化学自组装技术构筑有序微结构也受到了人们越来越多的关注。通过自组装技术能解决我们面临的很多问题。

随着胶体晶体研究的火热，人们发现一种不依靠人力就能完成组装和构筑结构的方法，由于这种方法简便、制造结构多样、重复性好等优点，他已在物理、化学、生物、材料、医学等领域获得很大运用，而且越来越受到重视。这种方法就是自组装技术。

2.1 自组装与生物医学

通过自组装技术形成的单分子层、膜，囊泡，微管和生物传感器，神经修复材料以及基因传输系统等，对临床医学诊断和治疗有重要作用。中山大学基于自组装技术制备硫酸链霉素修饰电极来检测抗生素，并分析了硫酸链霉素与鱼精DNA 的相互作用。上海大学采用含银聚电解质络合物和利用层层静电自组装技术制备

出了抗菌性滤膜。1998年，德国人Mohwald利用层层自组装制造了高分子胶囊，使自组装在药物生产上有了运用。近年来，研究者通过改变胶囊组分和厚度，制备出了可缓释微胶囊。据报道，去年南开大学利用自组装技术制备PDDA-多壁碳纳米管-胆碱生物传感器，在临床医学检测上获得突破。

2.2 自组装与物理化学

IBM的研究人员将分子的自组装能力与标准的芯片制造工具相结合，制造出一个超小型电脑存储设备。该设备类似一种闪存，可以用于便携式电脑存储设备和移动电话。由于分子有自组装能力，可以减少半导体生产过程中的复杂性，从而有可能降低成本。随着微电子及时的不断发展，正需要更多的小体积、多功能、结构复杂的纳米级构造单元。利用自组装技术，不仅能对材料表面修饰而获得原本不具备的光、电、磁、力等性能的新材料，而且还能制造出分子开关，分子存储器，分子导线，分子集成电路等小型器件。Health等人研制了一个分子装置的自组装过程，制造了一个以分子为基础的电路框架结构，制得了由金属、半导体纳米线所得的超高密度阵列及纳米逻辑电路。其纳米线接点处密度高达每平方厘米1011个交叉点。1992年，成功合成了M415系列介孔分子材料。以此材料为基础的多种新型催化材料已在石油加工、大宗化学品的生产和精细化学制品的生产方面获得很大利用。

2.3 自组装与纳米技术

纳米技术为制造大面积、无缺陷的结构和高质量大数量及结构和性质可控的新材料。利用自组装能完成这样的任务。现在环保事业越来越受重视，为解决环境污染和节约资源，传统材料正被新型的低碳、低成本、能回收、易降解、无伤害纳米材料所取代。哈尔滨工业大学制备出了一种聚偏氟乙烯纳米复合超低压超滤

膜，具有改变复合膜的亲水性，提高水通量，延长清洗周期，实现大规模应用的优点。自组装与纳米技术相结合不仅能制备出单层膜、多层膜、复合膜，还能组装成多种结构，如管状、螺旋状、球状和花朵状、碗状等。此外，还能利用已制备出的图案为模板制备更加精致形象的二维三维图像，使纳米技术应用更加广泛。

自组装技术制作的纳米结构正获得越来越多的应用领域，那到目前为止，自组装技术到底是什么样的技术呢？它的发展到底怎么样了呢？

3目前已有的自组装方法

3.1 自然沉降法

自然沉降法又叫重力沉降法，是利用重力场的作用，在无外界影响的情况下自然形成的晶体结构。地壳中的蛋白石就是一种天然的硬化的二氧化硅胶凝体。一般情况下，由于胶粒的尺寸和密度够大，它们就能沉积在容器底部，然后经历无序到有序的自组装过程。其中胶粒的大小影响着沉积的效果。对于小胶粒（300nm以下），所受重力较轻，重力被粒子的布朗运动抵消了，难以沉积。如果粒子粒径较大（550nm以上），所受重力又较大，沉积速度多块，难以形成有序结构。

自然沉降的优点是过程较为简单，一般实验室都可做。缺点是不能控制堆积结构，且所需时间较长，晶体的长程有序度不高。

3.2 旋涂法