纳米组装简介课件

纳米组装简介目录目录l前言前言l纳米组装体系及其分类纳米组装体系及其分类l纳米组装体系重要性纳米组装体系重要性l人工纳米组装人工纳米组装l自组装自组装l分子识别分子识别l分子机器分子机器l参考文献参考文献纳米组装简介前言前言l由于在纳米尺度下刻蚀技术已达到极限，组装技术受由于在纳米尺度下刻蚀技术已达到极限，组装技术受到人们很大的重视。纳米组装技术就是通过机械、物到人们很大的重视。纳米组装技术就是通过机械、物理、化学或生物的方法，把原子、分子或者分子聚集理、化学或生物的方法，把原子、分子或者分子聚集体进行组装，形成有功能的结构单元。组装技术包括体进行组装，形成有功能的结构单元。组装技术包括分子有序组装技术，扫描探针原子、分子搬迁技术以分子有序组装技术，扫描探针原子、分子搬迁技术以及生物组装技术。采用纳米加工技术可以对材料进行及生物组装技术。采用纳米加工技术可以对材料进行原子量级加工，使加工技术进入一个更加微细的深度。原子量级加工，使加工技术进入一个更加微细的深度。纳米结构自组装技术的发展，将会使纳米机械、纳米纳米结构自组装技术的发展，将会使纳米机械、纳米机电系统和纳米生物学产生突破性的飞跃。纳米要实机电系统和纳米生物学产生突破性的飞跃。纳米要实现大规模、低成本的产业化生产，还有许多的工作要现大规模、低成本的产业化生产，还有许多的工作要完成。完成。纳米组装简介纳米组装体系及其分类纳米组装体系及其分类 以纳米微粒，纳米丝或纳米管为基本单元在一以纳米微粒，纳米丝或纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。的体系。 分类：纳米组装体系根据其构建过程中内外驱分类：纳米组装体系根据其构建过程中内外驱动力的不同，可分为人工组装体系和自组装体动力的不同，可分为人工组装体系和自组装体系。系。纳米组装简介纳米组装体系的重要性纳米组装体系的重要性l其重要性主要表现在以下几个方面：其重要性主要表现在以下几个方面：l(1)纳米组装体系的结构具有多样性通过自组装可以形纳米组装体系的结构具有多样性通过自组装可以形成单分子层、膜、囊泡、胶束、微管、小棒以及更复成单分子层、膜、囊泡、胶束、微管、小棒以及更复杂的有机金属、有机无机、生物生物复合物等，杂的有机金属、有机无机、生物生物复合物等，其多样性超过其他方法所制备的材料。其多样性超过其他方法所制备的材料。l(2)纳米组装体系的应用领域广泛多种多样、性能独特纳米组装体系的应用领域广泛多种多样、性能独特的自组装材料将被广泛应用在光电子、生物制药、化的自组装材料将被广泛应用在光电子、生物制药、化工等许多领域，并对其中某些领域产生未可预知的促工等许多领域，并对其中某些领域产生未可预知的促进作用。进作用。l(3)自组装技术代表着一类新型的加工制造技术自组装技术代表着一类新型的加工制造技术纳米组装简介人工组装体系人工组装体系l按照人类的意志，利用物理和化学的方法人工按照人类的意志，利用物理和化学的方法人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系，包括纳米有序阵二维和三维的纳米结构体系，包括纳米有序阵列体系和介孔复合体系等（决定性作用：人的列体系和介孔复合体系等（决定性作用：人的设计与参与）。设计与参与）。纳米组装简介人工组装人工组装体系体系原子操纵原子操纵分子操纵分子操纵原子移动原子移动 原子提取原子提取 原子放置原子放置接触式接触式非接触式非接触式AFM玻璃微针玻璃微针光镊光镊磁镊磁镊纳米组装简介自组装技术自组装技术l自组装是自然界存在的一个普遍现象，是一种由简单自组装是自然界存在的一个普遍现象，是一种由简单到复杂、由无序到有序、由多组分收敛到单一组分的到复杂、由无序到有序、由多组分收敛到单一组分的不断自我修正、自我完善的自发过程。自组装技术是不断自我修正、自我完善的自发过程。自组装技术是指分子及纳米颗粒等结构单元在没有外来干涉的情况指分子及纳米颗粒等结构单元在没有外来干涉的情况下，通过非共价键作用自发地缔造成热力学稳定、结下，通过非共价键作用自发地缔造成热力学稳定、结构稳定、组织规则的聚集体的过程，通过模拟自然界构稳定、组织规则的聚集体的过程，通过模拟自然界的自组装过程改进现有的或者发现新的高性能材料，的自组装过程改进现有的或者发现新的高性能材料，进而制造出新的功能材料，甚至试图利用自组装技术进而制造出新的功能材料，甚至试图利用自组装技术构建出可规模化生产应用的、具有某种功能的分子器构建出可规模化生产应用的、具有某种功能的分子器件，从而满足对电子器件等要求更小、更快、更冷的件，从而满足对电子器件等要求更小、更快、更冷的信息时代的到来。信息时代的到来。纳米组装简介自组装技术原理自组装技术原理 通过弱的和方向性较小的非共价键，如氢键、通过弱的和方向性较小的非共价键，如氢键、范德瓦尔斯力和弱的离子键协同作用把原子、范德瓦尔斯力和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的图案。其是以纳米加工、纳米制造纳米结构的图案。其是以纳米加工、纳米制造为标志的纳米科技向纵深发展的关键技术之一。为标志的纳米科技向纵深发展的关键技术之一。纳米组装简介自组装技术分类自组装技术分类l自组装技术主要分为：自组装技术主要分为： 定向自组装定向自组装(Directed self-assembly) 分子自组装分子自组装(Molecular Self-assembly )纳米组装简介定向自组装定向自组装l定向自组装是采用流体、电磁场等介质，通过定向自组装是采用流体、电磁场等介质，通过外形识别或自选性胶体外形识别或自选性胶体(如如DNA)等来实现微元等来实现微元件在相应基板位置上的定向和定位，进而完成件在相应基板位置上的定向和定位，进而完成微元件的组装。方法主要有基于表面张力作用微元件的组装。方法主要有基于表面张力作用利用粘结剂导向的定向自组装，利用毛细作用利用粘结剂导向的定向自组装，利用毛细作用力驱动的定向自组装及基于外形匹配，表面张力驱动的定向自组装及基于外形匹配，表面张力作用，次序自组装于一体的混合三维定向自力作用，次序自组装于一体的混合三维定向自组装等组装等纳米组装简介分子自组装分子自组装l分子自组装本身就是自然界的普遍现象，是指分子自组装本身就是自然界的普遍现象，是指分子之间靠非共价键作用力分子之间靠非共价键作用力(包括静电作用、包括静电作用、范德华力、疏水作用力、氢键等范德华力、疏水作用力、氢键等)自发形成具自发形成具有一定结构和功能的聚集体的过程。分子自组有一定结构和功能的聚集体的过程。分子自组装有两大类：静态自组装和动态自组装目前多装有两大类：静态自组装和动态自组装目前多数自组装的研究都集中在静态自组装，动态自数自组装的研究都集中在静态自组装，动态自组装尚处于研究的初级阶段组装尚处于研究的初级阶段纳米组装简介分子自组装组织原理分子自组装组织原理疏水作用疏水作用驱动驱动静电作用静电作用驱动驱动堆积效应堆积效应驱动驱动配位键配位键驱动驱动氢键驱动氢键驱动模板驱动模板驱动组织原理组织原理纳米组装简介自组装的基础自组装的基础分子识别分子识别l分子识别这一概念最初是被有机化学家和生物学家用分子识别这一概念最初是被有机化学家和生物学家用来在分子水平上研究生物体系中的化学问题而提出，来在分子水平上研究生物体系中的化学问题而提出， 用来描述有效的并且有选择的生物功能。现在已经发用来描述有效的并且有选择的生物功能。现在已经发展为表示主体（受体）对客体（底物）选择性结合并展为表示主体（受体）对客体（底物）选择性结合并产生某种特定功能的过程。产生某种特定功能的过程。 应该说自组装是以分子识应该说自组装是以分子识别为基础的。分子识别在超分子化学中占有举足轻重别为基础的。分子识别在超分子化学中占有举足轻重的地位。同时，由于识别过程通常会引起体系的电学、的地位。同时，由于识别过程通常会引起体系的电学、光学性能及构象的变化，也可能引起化学性质的变化。光学性能及构象的变化，也可能引起化学性质的变化。这些变化意味着化学信息的存储，传递及处理。因此，这些变化意味着化学信息的存储，传递及处理。因此，分子识别在信息处理及传递，分子及超分子器件制备分子识别在信息处理及传递，分子及超分子器件制备过程中也起着重要作用。过程中也起着重要作用。纳米组装简介分子识别的原理分子识别的原理l分子识别的过程实际上是分子在特定的条件下通过分分子识别的过程实际上是分子在特定的条件下通过分子间作用力的协同作用达到相互结合的过程。这其实子间作用力的协同作用达到相互结合的过程。这其实也揭示了分子识别原理中的三个重要的组成部分，也揭示了分子识别原理中的三个重要的组成部分，“特定的条件特定的条件”即是指分子要依靠预组织达到互补的即是指分子要依靠预组织达到互补的状态，状态， “分子间相互作用力分子间相互作用力”即是指存在于分子之间即是指存在于分子之间非共价相互作用，而非共价相互作用，而“协同作用协同作用”则是强调了分子需则是强调了分子需要依靠大环效应或者螯合效应使得各种相互作用之间要依靠大环效应或者螯合效应使得各种相互作用之间产生一致的效果。产生一致的效果。纳米组装简介分子识别的应用分子识别的应用 l碱金属细胞膜传输碱金属细胞膜传输 l光化学传感器光化学传感器 l模拟酶催化模拟酶催化 l信息处理信息处理 l超分子材料超分子材料纳米化学纳米化学 纳米组装简介分子机器分子机器l分子机器是一类将能量转变为可控运动的分子分子机器是一类将能量转变为可控运动的分子器件。它是一种多组分体系，其中某些部分不器件。它是一种多组分体系，其中某些部分不动，而另一些部分得到动，而另一些部分得到“燃料燃料”后可以继续运后可以继续运动。由于化学分子的运动通常是绕着单键的转动。由于化学分子的运动通常是绕着单键的转动，因此，通过化学、光、电信号可以控制这动，因此，通过化学、光、电信号可以控制这类运动的方向，设计与开发分子功能和天然体类运动的方向，设计与开发分子功能和天然体系相媲美甚至优于天然体系的人工分子机器，系相媲美甚至优于天然体系的人工分子机器，引起了人们极大的兴趣。引起了人们极大的兴趣。纳米组装简介分子机器的原理分子机器的原理l在平衡条件下，分子间通过非共价相互作用自在平衡条件下，分子间通过非共价相互作用自发组合形成一类结构明确、稳定、具有某种特发组合形成一类结构明确、稳定、具有某种特定功能或性能的分子聚集体或超分子结构的过定功能或性能的分子聚集体或超分子结构的过程。分子自组装是各种复杂生物结构形成的基程。分子自组装是各种复杂生物结构形成的基础，生物体系中通过分子自组装形成了各种分础，生物体系中通过分子自组装形成了各种分子水平的机器，即分子机器。例如分子发动机子水平的机器，即分子机器。例如分子发动机就是自然界常见的一种分子机器，它在人体中就是自然界常见的一种分子机器，它在人体中起着肌肉收缩、细胞内外物质的传递甚至精子起着肌肉收缩、细胞内外物质的传递甚至精子游动等关键作用。游动等关键作用。纳米组装简介分子机器的要求分子机器的要求l分子机器是在分子水平上由光子、电子或离子操纵的机器。通常分子机器是在分子水平上由光子、电子或离子操纵的机器。通常它是由有序功能分子按特定要求而组装成的超分子体系。一个分它是由有序功能分子按特定要求而组装成的超分子体系。一个分子机器应具备如下条件：子机器应具备如下条件： 1)元件分子必须含有光、电或离子活性功能基；元件分子必须含有光、电或离子活性功能基； 2)元件分子必须能按特定需要组装成组件；大量的组件有元件分子必须能按特定需要组装成组件；大量的组件有 序排序排列能形成信息处理的超分子体系，即微型分子器件；列能形成信息处理的超分子体系，即微型分子器件； 3)分子机器输出的信号必须易于检测。分子机器按驱动的种类可分子机器输出的信号必须易于检测。分子机器按驱动的种类可分为化学驱动的分子机器、电化学驱动的分子机器、分为化学驱动的分子机器、电化学驱动的分子机器、pH值驱动值驱动的分子机器和光驱动的分子机器四类。因此在分子水平上来制造的分子机器和光驱动的分子机器四类。因此在分子水平上来制造分子机器，就从客观上要求开展具有相关功能的化合物的设计、分子机器，就从客观上要求开展具有相关功能的化合物的设计、合成及性质研究。合成及性质研究。纳米组装简介分子机器分子机器DNA镊子镊子分子剪刀分子剪刀分子刹车分子刹车分子马达分子马达纳米组装简介DNA镊子镊子l研究人员设计出三条链、和，利研究人员设计出三条链、和，利用碱基配对机制，使的一半与的一半结合，用碱基配对机制，使的一半与的一半结合，的另一半与的一半结合。在连接与的另一半与的一半结合。在连接与的地方有一个活动的地方有一个活动“枢钮枢钮”，这样就构成了一，这样就构成了一个可以开合的镊子，一种纳米级的镊子。其每个可以开合的镊子，一种纳米级的镊子。其每条臂只有纳米长。条臂只有纳米长。纳米组装简介分子剪刀分子剪刀l这种剪刀样分子机制利用的光反应化学基团，根这种剪刀样分子机制利用的光反应化学基团，根据照射光的波长不同，选择受到不同选择开启或据照射光的波长不同，选择受到不同选择开启或折叠。如同折叠。如同“真实真实”的剪刀，分子剪刀由枢纽、的剪刀，分子剪刀由枢纽、刀片和把手组成。枢纽是一个三明治样结构，手刀片和把手组成。枢纽是一个三明治样结构，手性二茂铁和球铁原子组成三明治的中间层，夹杂性二茂铁和球铁原子组成三明治的中间层，夹杂两层碳片之间。两层碳片之间。纳米组装简介分子刹车分子刹车l美国波士顿学院的美国波士顿学院的Kelly等用金属离子配位在等用金属离子配位在分子的可动位置引起的构型变化，使分子齿轮分子的可动位置引起的构型变化，使分子齿轮围绕围绕C-C键可逆地旋转，成为第一例分子刹车键可逆地旋转，成为第一例分子刹车 。Sauvage等利用不同价态的过渡金属离子配等利用不同价态的过渡金属离子配位数的不同，从而可选择性配位的原理成功的位数的不同，从而可选择性配位的原理成功的组装了组装了Cu(I)的轮烷或索烃，通过电化学氧化的轮烷或索烃，通过电化学氧化还原或光信号可诱导该轮烷或索烃中分子的运还原或光信号可诱导该轮烷或索烃中分子的运动。动。 纳米组装简介分子马达分子马达l一种能够像马达一般，在给予适当能量后，做一种能够像马达一般，在给予适当能量后，做出单向转动的化学分子。出单向转动的化学分子。 这样的这样的“马达马达”极极小，尺寸是蚊子的一千万分之一。有了这么小小，尺寸是蚊子的一千万分之一。有了这么小的马达，再加上适当的配件，或许能够做出分的马达，再加上适当的配件，或许能够做出分子机器人，进入人体内去修补受损的子机器人，进入人体内去修补受损的DNA，或 清 除 血 管 壁 上 堆 积 的 胆 固 醇 。或 清 除 血 管 壁 上 堆 积 的 胆 固 醇 。纳米组装简介分子马达的分类分子马达的分类l蛋白质马达蛋白质马达 分为线动和转动两大类分为线动和转动两大类lDNA马达马达 按条件可分为两大类：一类是按条件可分为两大类：一类是环境刺激响应马达，一类是基于链交换反应的环境刺激响应马达，一类是基于链交换反应的马达马达l光敏马达光敏马达纳米组装简介分子机器的未来幻想分子机器的未来幻想l分子机器将在分子信息存储器件或纳米电子学中有实分子机器将在分子信息存储器件或纳米电子学中有实际的应用，但合成或组装这样的分子体系在今后一段际的应用，但合成或组装这样的分子体系在今后一段时期仍是十分重要和艰巨的任务，它涉及多种学科，时期仍是十分重要和艰巨的任务，它涉及多种学科，是一个新兴的交叉领域，研究人员将面临着更大的挑是一个新兴的交叉领域，研究人员将面临着更大的挑战和更多的机遇。一旦突破，必将带动我国的生命、战和更多的机遇。一旦突破，必将带动我国的生命、信息和材料等方面的产业技术革命。一旦我们掌握了信息和材料等方面的产业技术革命。一旦我们掌握了制作比盐粒还要细小的计算机的技术，我们的情况就制作比盐粒还要细小的计算机的技术，我们的情况就会发生很本性的变化。微型计算机将变得非常便宜，会发生很本性的变化。微型计算机将变得非常便宜，因此到处均可采用。因此到处均可采用。纳米组装简介参考文献参考文献lF. Whler, Poggendorfs Ann. Physik 1828,12，253lE. Fischer , Ber. Deutsch. Chem. Ges. 1894，27，2985lKoshland E E，Proc. Natl. Acad. Sci. 1958，44，98lCram D J，Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1986，25，10391057lBlazani V，De Cola L, Supramolecular Chemistry. The Netherlands：Kluwer Academic Publishers, 1992lJ.W. Steed，J.L. Atwood，超分子化学超分子化学. 北京：化学工业出北京：化学工业出版社，版社，2006 l徐大鹏徐大鹏,徐正徐正. CdS纳米管有序阵列的制备和表征纳米管有序阵列的制备和表征J.无机化学学无机化学学报报,2002,28(9):871l李彦李彦,施祖进施祖进,周锡煌周锡煌,等等.纳米团簇的超分子自组装纳米团簇的超分子自组装J.化学进化学进展展,1999,11(2):148lCaruso F. Hollow capsule processing through colloidal templating and self-assembly J . Chem Eur J,2000,6(3):413纳米组装简介Thanks for your attention!