分子自组装的研究进展

分子自组装技术的研究进展

摘要：分子自组装在生物工程、分子器件、以及纳米科技领域已经有很广泛的应用。在未来的几十年里，分子自组装装作为一种技术手段将会在新技术领域产生重大的影响。本文介绍了分子自组装技术的基本原理、影响因素、目前的研究进展以及应用，最后展望了自组装技术的前景。

关键词：分子自组装；应用

Advances in Molecule Self-assembly Technology

Abstract: Molecule self-assembly technology has been widely applied in biotechnology, molecular device, and nanotechnology. As a fabrication tool, molecular self-assembly technology will become tremendously important in the coming decades. In this article, mechanism, influence factors, some research advances and application of molecule self-assembly technology are reviewed. At the end, we prospect the future of this technology.

Keywords: Molecule self-assembly; application

自组装[1]（self-assembly，简称SA）是组分自主构筑成团或结构物的过程，自组装过程能使无序状态转变成有序状态。自组装技术主要分为定向自组装(Directed self-assembly)和分子自组装(Molecular self-assembly)。

分子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。通过分子自组装我们可以得到具有新奇的光、电、催化等功能和特性的自组装材料，特别是现在正在得到广泛关注的自组装材料在非线性光学器件、化学生物传感器[2]、信息存储材料以及生物大分子合成方面都有广泛的应用前景，受到研究者广泛的重视和研究。本文下面对分子自组装技术及研究进展进行综述。

1 分子自组装技术

分子自组装是指在热力学平衡条件下，分子与分子或分子中某一片段与另一片段之间利用分子识别，相互通过分子间大量弱的非共价键作用力，自发连接成具有特定排列顺序、结构稳定的分子聚集体的过程。这里的“弱非共价键作用力”

系指氢键、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。并不是所有的分子都能够发生自组装过程，它的产生需要两个条件：自组装的动力以及导向作用。自组装的动力指分子问的弱相互作用力的协同作用，它为分子自组装提供能量，维持自组装体系的结构稳定性和完整性，是发生自组装的关键；自组装的导向作用指的是分子在空间的互补性，也就是说要使分子自组装发生，就必须在空间的尺寸和方向上达到分子重排的要求。

一般而言，营造分子自组装体系主要划分3个层次：第一，通过有序的共价键，首先结合成结构复杂的完整中间分子体；第二，由中间分子体通过弱的氢键、范德华力及其它非共价键的协同作用，形成结构稳定的大的分子聚集体；第三，由一个或几个分子聚集体作为结构单元，多次重复自组织排列成有序分子组装体。

分子自组装技术主要有物理方法和化学方法。

1.1 化学方法

早在1964年已有人提出基于化学吸附的自组装设想，但1985年才付诸实践。其原理是将附有某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与基片表面发生自动连续化学反应。在基片表面形成化学键连接的二维有序单层膜，同层内分子间作用力仍为范德华力（如图1）。若单层膜表面具有某种反应活性的活性基，再与其它物质反应，如此重复构成同质或异质的多层膜。其主要用于以图形化自组装为模板的纳米结构制备技术，结合光辐射、微接触印刷、等离子体刻蚀等方法获得了广泛应用。

Cheng等[3]研究用化学模板法从下往上合成嵌段共聚物。Sun等[4]在两水相界面上通过自组装合成膜，一个包含聚合物，另一个包含带有相反电荷的自组装小分子，结果显示小分子能在膜成长过程中有序排列。刘璐等[5]应用自组装膜吸附钯的活化方法，在SiO2/Si平面基板表面化学沉积NiMoP阻挡层。

图1 分子在固体表面的自组装

1.2 物理方法

物理吸附又称为分子沉积法，是1991年德国Mainz大学的Decher首先提出

的。其原理是将表面带正电荷的基片浸入阴离子聚电解质溶液中，因静电吸引，阴离子聚电解质吸附到基片表面使基片表面带负电，然后将表面带负电荷的基片再浸入阳离子聚电解质溶液中，如此重复得多层聚电解质自组装膜。这样可制取有机分子与其它组分的多层复合超薄膜（如图2）。该技术有较好的识别能力、生物相容性、导电性、耐磨性，比之于化学吸附膜，层与层之间较强的作用力使稳定性大为提高。

Cordas等[6]在金电极上自组装了三价卟啉铁二硫化物衍生物的单层膜，并用称量分析法和椭圆光度法研究出具有电催化功能的改性电极。Kalsin等[7]通过自组装将两种带电荷的、大小相等的金属纳米颗粒制备成砖石晶体。形成如此紧密结构是由于纳米颗粒间特殊的静电作用，而厚度是与装配物的尺寸相对应的。所以我们可以利用静电作用将多分散的纳米颗粒制备成晶体。

图2 分子吸附组装成膜

2 分子自组装体系的影响因素

分子自组装是在热力学平衡下进行的分子重排过程，它的影响因素多种多样，主要有以下三个影响因素：

2.1 分子识别对分子自组装的影响

分子识别可定义为某给定受体对作用物或者给体有选择地结合并产生某种特定功能的过程，包括分子间有几何尺寸、形状上的相互识别以及分子对氢键、π-π相互作用等非共价相互作用力的识别。利用分子彼此问的识别、结合特征，从中挖掘高效、高选择性的功能。若将具有识别部位的多个分子组合，彼此便寻找最安定、最接近的位置，并形成超过单个分子功能的高次结构的聚集体。在有机分子自组装过程中控制组装顺序的指令信息就包含于自组装分子之中，信息依靠分子识别进行。Spinke等[8, 9]等研究表明自组装单分子层能够很好地控制表面性质，选择一个合适的生物素，能够有效地进行生物识别。Kitagawa等[10]研究了在界面上进行自组装的性质，他们主要在二维和三维以及其他各个分子水平，针对手性和非手性系统的界面进行研究，研究表现了其生物识别功能。

2.2 组分对分子自组装的影响

组分的结构和数目对自组装超分子聚集体的结构有很大的影响。刘铮铮[11]利用化学气相沉积（CVD）的方法在自组装单分子膜（SAMs）修饰的SiO2表面沉