第八讲 自组装技术
第八章 自组装纳米加工技术
纳米粒子组装成的二维或三维类晶体结构的用途：
1)直接用来作为光子晶体材料,或高密度磁存储介质
通过自组装形成类晶体的不仅仅是聚苯乙烯纳米球，还可以是其 他 各种材料,如二氧化硅纳米球、金属材料纳米球、半导体材料纳米球、 磁材料纳米 球或由聚苯乙烯包裹的其他材料的纳米球。
2)作为母版，由其翻制成其他材料的周期性纳米结构。
在固体表面沉积的随机分布的分子在特定温度下会自动形成纳米晶体结构
(a)制作非晶硅天层结构
(b)高温退火处理
(C)清除衬底与夹层
分子自组装
分子间发生电子交换
化学过程
不同分子电位与极性之间 相互吸引和排斥
物理过程 纳米粒子自组装
分子或原子在固体表 面的迁移与扩散
(a)表面形貌诱导组装示意图
(b)聚苯乙烯小球在V形槽中的组装
自上而下：复杂的电路结构由平面衬底表面逐层建造形 成。自上而下的加工方式其最小可加工结构尺寸最终受 限于加工工具的能力：光刻工具或刻蚀设备的分辨能力。
自下而上：大自然，在上亿年间通过自组装 （Selfasseinbly)和自构建 (Self-ConStmCtion)方式,从分子水 平基础上创造了世间复杂万物。而分子这一最基本的构 建单元与目前最小可加工的结构相比至少小一个数量级, 所以纳米加工技术 的最终发展是分子水平的自组装技术。 如果把分子自组装看做是一种微纳米结构加工手段，则 从分子水平出发构建纳米或微米结构是一种“自下而上” （Bottom-Up)的加工方式,它彻底颠覆了传统的自上而下 的加工理念。
分子自组装纳米加工有两方面的优势：一是组装结构为 分子尺度，远远小于目前传统纳米加工所能实现的结构 尺寸；二是低成本。
原理上，分子自组装过程是自动的、自发的，不需要昂 贵的加工设备，但真正实现上述两方面优势还需要相当 长 的研发过程。目前分子自组装或其他自组装技术作 为一种微纳米加工手段还是相当原始的，大多数自组装 结构呈现二维准晶格阵列结构。即使是二维准晶格阵列， 要实现大面积长程有序（long range ordered)还是相当困 难的。在大多数情况下， 自组装必须与传统微纳米加 工技术相结合，即所谓“自上而下与自下而上相结 合”，以保证自组装的结构有实用价值。
自组装技术在纳米材料中的应用
自组装技术在纳米材料中的应用随着科学技术的发展，纳米技术在各个领域发挥着越来越重要的作用。
纳米领域的核心技术之一就是自组装技术。
自组装作为一种新型的加工制备技术，在制备纳米材料和纳米器件方面展现出了巨大的优势。
一、自组装技术的基本原理自组装，顾名思义，就是由分子自主地组装成有序结构的一种技术。
在自组装过程中，不需要外力介入，就能够平衡分子间的相互作用力，形成稳定的结构。
科学家们在深入研究分子间相互作用原理的基础上，通过调控这些相互作用力，使分子自发地组装成自己所需的结构。
自组装技术由于其能够自主形成具有规则性的结构和高度有序性的特点，成为了制备纳米材料和纳米器件的重要手段之一。
二、自组装技术在纳米材料制备中的应用（一）自组装纳米粒子自组装纳米粒子是以表面有一定亲疏水性材料为模板，通过自发吸收有机短链分子来形成稳定的纳米粒子。
自组装纳米粒子的优势在于它可以自然地形成尺寸均匀、表面密实、稳定的纳米颗粒，具有较高的粒度控制能力和较好的排列性。
自组装纳米粒子在药物传递和生物探针的制备中，具有较好的应用前景。
自组装纳米粒子还可以用于制备金属纳米粒子等其他纳米材料。
（二）自组装脂质体自组装脂质体是一种由类脂物质组成的复杂体系，是由两层亲疏水基团交替排列的膜结构。
自组装脂质体具有分子层次的有序结构和高度的可变性，因此具有较好的药物传递效果、稳定性和组织相容性。
目前，自组装脂质体已经被广泛应用于药物传递、基因传递和疫苗传递等领域。
例如，自组装脂质体可以将化学药物通过靶向作用传输到肿瘤组织在治疗癌症方面发挥重要作用。
（三）自组装纳米孔自组装纳米孔是由一种被称为“模板”材料制成的孔的集合体。
模板材料一般是一种亲水性的聚合物，可以与其他聚合物反应，形成孔。
模板被移除后，留下的孔直径达到纳米级别。
自组装纳米孔被广泛应用于纳米材料的制备和生物分析。
例如，它可以用于制备纳米流动膜、高通量纳米滤膜和生物分析芯片等。
三、发展前景和挑战随着自组装技术的不断发展和完善，其在纳米材料和纳米器件方面的应用和研究将持续加强。
自组装技术在纳米材料合成中的应用
自组装技术在纳米材料合成中的应用随着科学技术的不断发展，人们对于更加精细化、高科技化的材料需求也日益增加。
在这一过程中，纳米技术逐渐成为了一种大势所趋。
纳米技术是一种能够控制物质结构在尺寸和性能等方面具有极高精度的技术，能够将材料的部分属性进行微观调整，从而制备出高性能、高可靠性、高抗冲击性、高热稳定性等各种材料。
而自组装技术则是纳米材料合成中的重要技术手段之一，可以使得不同类型、不同形态的纳米材料进行高效且精准的组装，最终实现了新材料的合成。
本文将重点探讨自组装技术在纳米材料合成中的应用。
一、自组装技术的基本原理自组装技术是指将材料的基本单元——分子、微粒子、纳米粒子、高分子等框架化功能单元在体系内自发组装为更大的结构形态的一种方法。
自组装技术能够将纳米材料进行精准合成，精益求精，通常是通过“两步法”来实现。
首先是选择合适的单元：在实际操作中，需要进行单元的筛选、择优等过程，选出最合适进行自组装的单元。
其次是设计合适的自组装方案：一方面，需要考虑单元从自己组装之后要达到的结构形态，另一方面，需要考虑形态组装的稳定性、可控性等影响因素。
当这些问题解决后，再对单元进行组装，即可得到所需要的新材料。
二、自组装技术的应用范围非常广泛，其中纳米材料合成是自组装技术的常见应用之一。
1、自组装技术在纳米材料的表面修饰中的应用纳米材料因其表面活性大、晶格缺陷多等特点，表面的化学修饰通常是将纳米材料应用在实际中的前提，通过化学修饰来改善纳米材料的使用性能和稳定性。
自组装技术可以将不同材料的化学单元组装成为表面修饰分子，将其固定在纳米材料表面，从而获得了一种新型的纳米修饰材料。
例如，自组装法可以修饰金属纳米粒子表面，例如原子层细分修饰，水相修饰，有机物基表面修饰等，也可以将自组装单元封装在纳米粒子中。
这些修饰材料具有良好的生物相容性、可溶性、可稳定性等特点，能够在纳米分析、纳米制药等多方面产生巨大的应用价值。
2、自组装技术在纳米材料的制备中的应用纳米材料在结构、形态、物理性质等方面都具有特殊的性质，利用自组装技术进行修饰和改变，能够得到新的性能更好的纳米材料。
自组装概念、技术及超分子化学方法含基本问题讲解
自组装技术
Substrate
self-assembled monolayer of N-(n-hexyl)-D-gluconamide ( 8.6nm scan).
I. Tuzov, Freiburg University.
自组装技术
自组装技术制备的纳米薄膜分类
脂肪酸单分子膜 有机硅烷单分子膜 含硫有机化合物单分子膜 硅表面脂肪链自组装单分子膜 双磷酸化合物形成的多层自组装膜 静电吸附形成的多层自组装膜 纳米粒子的自组装 碳纳米管的自组装
Prof. Sagiv
八十年代末和九十年代初，自组装的研究体系被大大的拓宽， 给人们提供了在分子水平上灵活设计二维组装结构的可能性。
Self-assembly is the autonomous organization of components into patterns or structures without human intervention. Self-assembling processes are common throughout nature and technology. They involve components from the molecular (crystals) to the planetary (weather systems) scale and many different kinds of interactions. The concept of selfassembly is used increasingly in many disciplines, with a different flavor and emphasis in each.
assembly. 5. Self-assembly is common to many dynamic, multicomponent systems,
自组装
自组装（self-assembly），是指基本结构单元(分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）自发形成有序结构的一种技术。
在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。
自组装过程并不是大量原子、离子、分子之间弱作用力的简单叠加，而是若干个体之间同时自发的发生关联并集合在一起形成一个紧密而又有序的整体，是一种整体的复杂的协同作用。
自组装(self-assembly)为系统之构成元素(components；如分子)在不受人類外力之介入下，自行聚集、组织成规则结构的现象[1]，例如分子的结晶即是一种自组装现象。
自组装程序的发生通常会将系统从一个无序(disordered)的狀态转化成一个有序(ordered)的狀态，其可以发生在不同的尺度，例如分子首先聚集成奈米尺寸的超分子单元(supramolecular unit；如界面活性剂分子自组装成微胞；如图一所示)，这些超分子单元间的作用力进而促使其在空间上做规则的排列(如微胞排列成体心立方之晶格)，而使系统具有一种阶级性结构(hierarchical structure)。
自组装普遍存在於自然界中，如生物体的细胞即是由各种生物分子自组装而成；而运用各种分子之自组装亦是建构奈米材料非常重要的方法，这种所谓由下而上（bottom-up）的方法目前被广泛应用來制备具光、电、磁、感测、与催化功能的奈米材料多分子自组装体化学概述分子聚集体化学是化学发展的新层次。
分子聚集体化学以分子之间的弱相互作用及其协同效应为基础，自组装是创造具有新颖结构和功能的有序分子聚集体的重要手段。
分子聚集体的化学为实现化学学科的知识创新提供了契机，同时它与物理、生物、材料等学科交叉融合，而成为产生新概念和高技术的重要源头之一。
拟解决的关键科学问题：多层次、多组分的分子自组装及组装动态过程；分子间弱相互作用的加合性、协同性和方向性；分子聚集体中的电子转移、能量传递和化学转换。
自组装技术在材料制备中的应用及前景
自组装技术在材料制备中的应用及前景随着科学技术的飞速发展，越来越多的新兴技术应运而生。
其中，自组装技术就是一项备受瞩目的技术，它不仅可以应用于生物领域，还可以在材料领域中发挥重要作用。
在这篇文章中，我们将探讨自组装技术在材料制备中的应用及前景。
一、自组装技术的基本原理自组装技术是指在无机介质中，根据物种间的相互作用，通过分子自然运动所导致的有序排布而形成具有特定形状和大小的功能单元或者超分子结构，它是一种新型的材料制备技术。
自组装技术是研究材料科学的一个前沿方向，因为这项技术可以通过小分子之间的自我有序组合构建出具有功能性必要的大分子。
二、自组装技术在材料制备中的应用目前，自组装技术已经被广泛应用于许多领域，包括材料科学、纳米科技、生物医学以及化学等领域。
尤其是在材料制备领域中，自组装技术具有独特的应用优势和潜力。
1. 纳米材料制备纳米材料是一种在横向尺寸上小于100纳米的材料，以其独特的物性被广泛应用于许多领域，如半导体器件、生物医学、水处理等。
自组装技术可以通过不同种类的化学反应来引导有机分子、金属离子等物种自动组装成纳米颗粒、纳米线、纳米管等形式的材料。
这些纳米材料通常具有高表面积、高催化活性、高稳定性等优良特性，能够用于制造高效催化剂、生物传感器、高性能纳米传送管等。
2. 薄膜制备在电子学领域，将两种或多种物质分子层自组装成自组装多层薄膜，是一种常用的制备方法。
这种薄膜不仅具有尺寸结构精密、结构可控、韧性强、薄厚可调等优点，还具有超水疏性、超亲水性、光学非线性、电学极化等特殊功能，广泛应用于发展新型电子元件、表面修饰以及涂料等领域。
3. 分子印刷技术分子印刷技术是一种将功能分子印刷到基质上，以形成具有高度规范性和准确性的表面化学图像或模型的方法。
分子印刷技术可以通过自组装技术构筑结构特别有序的介质，但同时可以通过光、电等刺激进行部分或全部去除，得到有序的小孔、凹槽或者三维结构，从而形成精密的分子印刷图案。
细胞自组装技术的研究和应用
细胞自组装技术的研究和应用细胞自组装技术是一种涉及分子和细胞的组装，能够用于制造很多不同的材料和结构。
自组装法是指由普通物质分子自发、即自动在不经过人工干预的情况下组成有序的结构。
应用这种技术，可以制造出具有各种复杂形状和结构的材料，如输送，传感，药物分子。
这种技术未来可望为组织工程和药物递送等领域带来许多创新。
一、细胞自组装技术的原理细胞自组装技术是建立在生物学和化学的基础之上的。
它基于特殊性质的微米和纳米颗粒，诸如：磁性、化学、电化学和表面张力。
在一些人工设计的条件下，这些颗粒可以按照特定的方式组合形成多种结构。
然而，细胞自组装可进一步扩展到一整个细胞，使得复杂化学和物理过程在其中发生。
这种自组装涉及细胞内制造中控制多种生物学进程的巨分子。
这些原理可以成为制造更多复杂体系的基础。
二、细胞自组装技术的应用1. 药物递送使用细胞自组装技术，可以裹挟药物物质来实现药物递送。
一些囊泡，超声波或者热能等可以被用来释放药物。
该技术可以为某些需要不能口服以及持续放药的药物提供替代方案。
2. 组织工程细胞自组装技术可以聚合生命科学、化学和材料科学的知识，从而使细胞在3D环境中管理其生长。
例如，以DNA为材料的三维细胞培养法，可以让细胞之间交换蛋白质，并让胚胎细胞发展成成熟的细胞类型。
这使得组织阵列和其他有用细胞的许多可能性得以实现。
3. 仿生学使用细胞自组装技术，可以设计复杂的仿生学组件。
这种技术可以制造出类似细胞的表面，促进仿生学材料的设计。
还可以使用生命科学，材料科学和电子学的交叉学科将双光子聚焦技术与自组装技术结合起来制造更复杂的生物分子。
三、发展前景随着科技的不断发展，生物材料的生产和使用越来越普及，自组装技术也随之而来。
在未来，技术将进一步进化，这种生产方案将更加轻松和广泛的应用到不同领域中。
细胞和分子自组装可望形成生物界和材料界之间的平衡，有望为气象、发电、医学，生命科学以及材料科学的多个领域带来创新，为解决现代复杂问题提供创新的解决方案。
自组装讲解ppt
自组装技术存在的问题及前景展望
• 自组装过程形成机制很少提及，进一步探 索并发现自组装过程形成机制和规则无疑 是一个重要方向 • 组装体的缺陷问题 • 目前实用化程度低
自组装技术存在的问题及前景展望
随着现代分析测试技术的发展，以及原子力显微镜，隧道扫描电镜， 动态光散射等先进测试技术的应用，纳米结构的高分子自组装机理将 得到入了解，并将应用到设计特定的纳米结构材料上，最终实现仿生 物体系的组装。 在材料器件微小化研究领域，它不仅会促进传感器的发展，也将对分 析仪器的微型化有一定的推动作用，自组装纳米材料实现、自组装制 备量子点、各种分子器件的使用将大大提高人们生活水平。 自由驾驭自组装技术的实现，将为化学、物理、生物、材料、制造、 纳米科学等研究领域提供重要手段和方向。推动科学全面进步。
自组装技术原理
• 驱动力：非共价键的弱
相互作用力的协同作用。这里的“弱相ຫໍສະໝຸດ 作用力”指的是氢键、范德华力、
静电力、疏水作用力、 π π堆积作用、阳离 子 π吸附作用等。
自组装的应用
• 自组装图案及自组装修饰 • 自组装材料 • 自组装器件
自组装薄膜
• 自组装光电功能薄膜：利用分子自组装技术,将具有光 、电性质的分子直接连 接到基片上,形成具有光、电 功能的自组装分子薄膜,进而组成器件。
神奇的自组装
21世纪亟待解决的25个重大 科学问题中唯一的化学问题
材料物理2班第二组
分子自组装简介
• 定义：自组装为系统之构成元素在不受人类外力的介入下， 自行聚集、组织成规则结构的现象。
• 特点：自发过程 各种尺度 各种材料 缺陷低 速度快 • 分类：定向自组装和分子自组装
自组装技术原理
• 分子自组装的原理是利用分 子与分子或分子中某一片段 与另一片段之间的分子识别, 相互通过非共价作用形成具 有特定排列顺序的分子聚合 体。
自组装
自组装是指基本结构单元(分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）自发形成有序结构的一种技术。
在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。
自组装过程并不是大量原子、离子、分子之间弱作用力的简单叠加，而是若干个体之间同时自发的发生关联并集合在一起形成一个紧密而又有序的整体，是一种整体的复杂的协同作用配位聚合物是有机配体与金属离子通过自组装过程形成的具有周期性网络结构的晶体材料结合了复合高分子和配位化合物两者的特点是一类具有特殊性质的杂化材料。
配位聚合物是指通过有机配体和金属离子间的配位键形成的，并且具有高度规整的无限网络结构的配合物。
由有机配体和金属离子形成任何复合物物种原则上都是一个自组装过程，配体聚合物的设计重点在于配体的设计和金属离子的选择，二者相互作用产生重复单元，按被控方式形成确定的结构。
在自发过程中，充分利用了两类组分的结构和配位性质：金属离子即像结合剂一样把具有特定功能和结构的配体结合在一起；又作为中心把配体定位在特定的方位上。
微乳液：两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。
体系中，两种互不相溶的连续介质被表面活性剂双亲分子分割成微小空间形成微型反应器，其大小可控制在纳米级范围，反应物在体系中反应生成固相粒子。
特点：(1)粒径分布较窄，粒径可以控制；(2)选择不同的表面活性剂修饰微粒子表面，可获得特殊性质的纳米微粒；(3)粒子的表面包覆一层(或几层)表面活性剂，粒子间不易聚结，稳定性好；(4)粒子表层类似于“活性膜”，该层基团可被相应的有机基团所取代，从而制得特殊的纳米功能材料；(5)表面活性剂对纳米微粒表面的包覆改善了纳米材料的界面性质，显著地改善了其光学、催化及电流变等性质。
多相催化：发生在两相界面上的催化作用。
通常催化剂为多孔固体，反应物为液体或气体。
在多相催化反应中，固体催化剂对反应物分子发生化学吸附作用，使反应物分子得到活化，降低了反应的活化能，而使反应速率加快。
自组装工艺ppt课件
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
分子识别
分子识别是主体对客体选择性结合并产
生某种特定功能的过程，它是实现自组装的前提
和关键。在这里，分子识别并不是单纯地指分子
自组装法的特点： 1、高度有序且具有方向性。 2、成膜稳定可控，且不受基底形状限制。 3、制备方法简单，不需昂贵的仪器设备。 4、能大面积成膜。 5、能从分子水平薄膜的厚度到多层膜的结构。 6、能通过精密的化学控制得到具有特殊相互作用 的表面。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
主讲内容
➢ 自组装的定义、产生条件及特点 ➢ 自组装技术的分类 ➢ 自组装方法 ➢ 分子识别 ➢ 分子机器 ➢ 分子开关 ➢ 化学修饰电极 ➢ 生物传感技术
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
Fig.6 Scanning electron microscopy images (at different magnifications) of the silver nanowire monolayer deposited on a silicon wafer.
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
软物质中的自组装技术研究
软物质中的自组装技术研究软物质这个概念听起来是不是有点陌生？别担心，其实在咱们的日常生活里，软物质可不少见。
比如说洗发水、牙膏，甚至是我们身体里的蛋白质，都属于软物质的范畴。
咱们今天要聊的，是软物质中一个特别神奇的技术——自组装技术。
先来说说啥是自组装技术。
想象一下，一堆小小的分子或者粒子，它们就像一群训练有素的小士兵，不需要外界太多的干预，自己就能有序地排列组合起来，形成特定的结构和功能。
这是不是有点神奇？就拿我们常见的液晶来说吧。
液晶显示器大家都不陌生吧？那薄薄的屏幕背后，就藏着软物质自组装技术的功劳。
液晶分子能够在电场的作用下，自动地调整自己的排列方向，从而实现图像的显示。
这就好像它们自己知道什么时候该“站好队”，什么时候该“换个姿势”。
再比如说，在生物领域，蛋白质的自组装那可是生命活动的基础。
细胞里的各种蛋白质能够自发地组装成复杂的结构，执行各种各样的功能。
比如说，血红蛋白能把氧气从肺部运输到身体的各个部位，这就是因为血红蛋白分子能够自组装成特定的结构，才能完成这个重要的任务。
我记得有一次，我在实验室里观察一种新型的软物质材料的自组装过程。
那真是一次让人惊叹的体验！我把材料放在显微镜下，眼睛紧紧地盯着屏幕，心里充满了期待。
一开始，那些小小的粒子就像一群顽皮的孩子，到处乱跑。
但慢慢地，它们好像收到了某种神秘的指令，开始有序地聚集在一起。
有的形成了长长的链状结构，有的则组成了规整的片状结构。
那一刻，我仿佛看到了一场微观世界的盛大舞蹈，每一个粒子都是出色的舞者，它们的舞步精准而优美。
自组装技术的应用可不仅仅局限在这些方面。
在材料科学中，科学家们利用自组装技术制备出了具有特殊性能的纳米材料，这些材料在催化、传感等领域都有着广阔的应用前景。
在药物研发中，通过设计能够自组装的分子，可以实现药物的精准输送和释放，提高治疗效果的同时减少副作用。
然而，软物质中的自组装技术研究也并非一帆风顺。
有时候，那些“小士兵”会不听话，出现一些意外的组装结构，这就需要科学家们不断地调整实验条件，寻找最佳的解决方案。
第八讲 自组装技术
from smart materials and self-healing structures to netted sensors and computer networks. 6. The focus on spontaneous development of patterns bridges the study of distinct components and the study of systems with many interacting components.
可控的分子取向
化学键
可控的组成与结构
可控的厚度
特性
可控的表面性质
自组装膜
分子设计 表面分子制备
表面防护
应用
高度有序 电子学
生化
结构分布 与稳定性
化学、生物传感器
有机硫化合物在金属和半导体基底上的自组装单分子膜
部分能形成自组装膜的有机硫化物
有机硫化合物在金属和半导体基底上的自组装单分子膜
烷基硫醇在 Au(111)面上 自组装膜的示 意图：空心圈 表示金原子， 实心圈表示硫 原子。烷基硫 醇在Au(111) 晶面上呈现六 方对称性，S－ S的距离位 0.497nm
Prof. J. M. Lehn
Covalent bonds provide the strongest connection between atoms in a molecule. But chemists are now using more tenuous links to assemble large molecular complexes ——J. M. Lehn
自组装技术与生物医学材料开发
自组装技术与生物医学材料开发自组装技术是一种近年来越来越重要的技术，它在许多领域中发挥了至关重要的作用。
在生物医学材料开发中，自组装技术正被广泛运用。
本文将从自组装技术的基本概念、生物医学材料的需求以及自组装技术在生物医学材料领域中的应用等几个方面发掘自组装技术与生物医学材料开发之间的关系，并深入探讨其潜在的未来发展方向。
自组装是指无需外部作用力，通过自主选择或者自发排列，形成一定结构的过程。
自组装技术通过人工设计和合成具有特定功能的分子，利用这些分子间的能量互相作用，形成各种结构和形状的复杂组合物。
自组装技术具有可控性强、纯度高、精度高的特点，在制造高精度、高效率微电子元器件、生长分子领域得到广泛应用。
自组装技术在生物医学领域也得到了广泛应用。
生物医学材料的需求是多方面的，例如良好的生物相容性、可调控的结构形态、可重复性、高度的背景稳定性以及可大规模生产等，因此生物医学材料的研发也需要更加复杂的材料制备和修饰技术。
在生物医学材料领域中，自组装技术由于其低成本、可控、可预测的特性而得到了广泛应用。
通过自组装技术可以制备出系列分子构件，在可控的分子间相互作用下，实现高度可预测的自组装体系，尤其是生物系统中常见的复杂空间结构。
在生物医学材料中，自组装技术的应用主要集中在两个方向：一、制备具有生物活性的多肽或蛋白质纳米结构体系；二、合成可控形态的纳米颗粒。
针对第一个方向，自组装技术是构筑高度可控的多肽或蛋白质纳米结构体系的有力手段。
例如，组装不同功能模块的蛋白质构建多功能的纳米结构体系。
这种利用人工蛋白质的设计和构建与自组装技术相辅相成的策略可以为生物纳米医学和纳米生物技术提供强大的工具。
另一方面，利用自组装策略进行纳米结构组装也能够探索纳米结构与生物体的相互作用定量特性及生物学功能等方面。
对于第二个方向，纳米颗粒是在生物医学材料领域中最为常见的一种结构。
利用自组装技术进行纳米颗粒的制备能够在形态和大小上实现精细控制，从而改善其特性及应用效果。
分子自组装
毛细作用力和液体表面张力
毛细作用力： 毛细作用是颗粒与之间的液体相互作用引起的。 在微纳米颗粒形成结构的过程中毛细作用力的影响很大。 液体表面张力： 表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表 面作用于任一界线上的张力
自组装可以制备的材料
自组装是分子自身、分子与基底、分子与 分子的自我调节的一个过程，通过这种方 式能制备出单分子膜、囊泡、胶束、微管、 小棒及更加复杂的有机/无机、生物/非生物 的复合物。
表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力自组装可以制备的材料自组装是分子自身分子与基底分子与分子的自我调节的一个过程通过这种方式能制备出单分子膜囊泡胶束微管小棒及更加复杂的有机无机生物非生物的复合物
分子自组装
XX
什么是自组装
• 自组装技术是从简单到复杂、由无序到有序的排列组合、 自我完善的自发过程。
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。
自组装与物理化学
• 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
• 自组装一旦开始，就有自己向下延展的规律，而且会有一 个自我设定的终点，外界条件不变的情况下自组织过程是
不会受到影响的，会一直继续到预先设定的终点才会停下。
背景
近些年来，自组装技术、自组装材料的研究被广
泛的重视，同时也取得了许多重要的研究成果。 美国《Science》杂志于2005年出版专刊，提出 了21世纪亟待解决的25个重大科学问题，其中自 组织问题是其中唯一的化学物理问题。
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能量降低因素
3，M——L配位键 金属原子（M）和配位体分子（L）间形成的各种各样的M——L配 位键，其中以共价配位键更为普遍和重要。 4， ——堆积作用 这种堆积作用可以按面对面形式，也可以按边对面形式。
100nm
OCOOCOOCO OCO OCO
Assembling SWNTs on Gold: Surface Condensation Method
— COOH — COOH — COOH — COOH
CO HN
CO CO
CO
HN HN
HN
S
S
S
S
DCC; ~50℃; in DMF
Langmuir－Blodgett技术
NH NH NH NH NH NH NH CO CO CO CO CO CO CO
OOO O O O O CO CO CO CO CO CO CO
S SSS S OCOOCOOCO OCO OCO
H2SO4/HNO3 Cutting
COO– COO– COO– COO– NH3+ NH3+ NH3+ NH3+
可控的分子取向
化学键
可控的组成与结构
可控的厚度
特性
可控的表面性质
自组装膜
分子设计 表面分子制备
表面防护
应用
高度有序 电子学
生化
结构分布 与稳定性
化学、生物传感器
有机硫化合物在金属和半导体基底上的自组装单分子膜
部分能形成自组装膜的有机硫化物
有机硫化合物在金属和半导体基底上的自组装单分子膜
烷基硫醇在 Au(111)面上 自组装膜的示 意图：空心圈 表示金原子， 实心圈表示硫 原子。烷基硫 醇在Au(111) 晶面上呈现六 方对称性，S－ S的距离位 0.497nm
自组装技术
Substrate
self-assembled monolayer of N-(n-hexyl)-D-gluconamide ( 8.6nm scan).
I. Tuzov, Freiburg University.
自组装技术
自组装技术制备的纳米薄膜分类
脂肪酸单分子膜 有机硅烷单分子膜 含硫有机化合物单分子膜 硅表面脂肪链自组装单分子膜 双磷酸化合物形成的多层自组装膜 静电吸附形成的多层自组装膜 纳米粒子的自组装 碳纳米管的自组装
——Chad Mirkin,
索烃
轮烷
由数学家、艺术家乃至体育界人士提出的许多拓扑结构，像 轮烷、索烃、绳结、双螺旋和奥林匹克环等新颖的超分子
Supramolecular Materials: Self-Organized Nanostructures
Schematic representation depicting the smaller and more easily filled pores in monolayer stacking of nanostructures compared to pores formed in bilayer stacking. In bilayer stacking of these nanostructures, displacements parallel or perpendicular to the layer normal are not efficient at filling volume otherwise occupied by solvent (orange regions).
Supramolecular chemistry is going to allow us to bridge the gap between the macro world and the atomic world, and that will have a tremendous impact on a wide variety of fields, such as diagnostics and microelectronics
自组装或超分子体系稳定形成的因素
形成自组装或超分子体系的两个重要条件：一是有足够量 的非共价键或氢键存在；二是自组装体系的能量较低。
自组装或超分子体系和其它化学体系一样，由分子形成稳定的体 系的因素，在体系不做有用功（如光、热、电……）时,可从热力 学自由焓的降低来理解：
G ＝ H － TS
require understanding self-assembly. 3. Self-assembly is one of the few practical strategies for making
ensembles of nanostructures. 4. Manufacturing and robotics will benefit from applications of self-
assembly. 5. Self-assembly is common to many dynamic, multicomponent systems,
from smart materials and self-healing structures to netted sensors and computer networks. 6. The focus on spontaneous development of patterns bridges the study of distinct components and the study of systems with many interacting components.
The Self-Assembly Mechanism of Alkanethiols on Au(111)
Self-Assembly of Gold Nanoparticles on Amino Terminated Surface through Electrostatic Interactions
• 在适当的基底上，用有机化合物或无机化合物通 过自组装技术制备具有有序结构的薄膜
自组装单分子膜 LB膜
• 以有机化合物的分子为结构单元，利用自组装技 术制备结构有序的大分子
超分子体系
自组装单分子膜简介
1946年Zisman用一种表面活性剂，在清洁的金属表面制备 了单分子膜
1980年Sagiv在J. Am. Chem. Soc.报 道了硫醇在金表面的自组装
Au
Au
+ NH3
+ NH3
+ NH3
+ NH3
+ NH3
+ NH3
SS SSS S Au
Au
(13nm±2)
Au
Au
+
+
&i
Si
Si
O O O O O OO
Si
Various Chemical Approaches to Fabricating Aligned Carbon Nanotubes on Solid Surface
分子自组装是指分子与分子在平衡条件下，依赖分子间非共 价键力自发的结合成稳定的分子聚集体的过程。主要有三个 过程：
通过有序的 共价键，合 成结构复杂 的、完整的 分子中间体
由中间分子体通 过弱的氢键、范 德华力以及其它 非共价键的协同 作用，形成机构 稳定的大的分子
聚集体
由一个或 几个分子 聚集体作 为结构单 元，多次 自组织排 成纳米结 构体系
——George M. Whitesides
There are several reasons for interest in self-assembly
1. Humans are attracted by the appearance of order from disorder. 2. Living cells self-assemble, and understanding life will therefore
第八讲：自组装及超分子化学方法
主要内容
• 自组装概念 • 自组装技术 • LB技术 • 超分子化学方法 • 自组装体系中的一些基本问题
极性头基 疏水 尾巴
亲水基 疏水基 亲水基
细胞膜的自组织有序结构
碳水化合物链 蛋白质
糖脂类 外层膜表面
蛋白质分子
内层膜表面 磷脂双层膜
胆固醇
细胞骨架 纤维
复杂的生物结构形成的基础是由范德华力、氢键、－相互作用、 疏水相互作用等较弱的、可逆的非共价作用力驱动的分子自组装
O=C-OH O=C-OH O=C-OH O=C-OH H NH H NH H NH H NH
Ag+ Ag+ Ag+ Ag+ Ag+
Single Wall Carbon Nanotubes Standing on Silver Surface ——via Salt Formation
Ag+ Ag+ Ag+ Ag+ Ag+
Prof. Sagiv
八十年代末和九十年代初，自组装的研究体系被大大的拓宽， 给人们提供了在分子水平上灵活设计二维组装结构的可能性。
Self-assembly is the autonomous organization of components into patterns or structures without human intervention. Self-assembling processes are common throughout nature and technology. They involve components from the molecular (crystals) to the planetary (weather systems) scale and many different kinds of interactions. The concept of selfassembly is used increasingly in many disciplines, with a different flavor and emphasis in each.