分子自組裝的原理和特點(diǎn)以及科學(xué)中的應(yīng)用
更新時(shí)間：2021-04-21 點(diǎn)擊次數(shù)：4453次
2005年7月美國(guó)《Science》雜志在創(chuàng)刊125周年紀(jì)念專輯中提出21世紀(jì)亟待解決的25個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題。的化學(xué)問(wèn)題就是“我們能夠推動(dòng)化學(xué)自組裝走多遠(yuǎn)”，從一個(gè)側(cè)面反映了分子自組裝的重大科學(xué)意義。文章充分肯定化學(xué)家在自組裝方面取得的一些新的進(jìn)展，但呼吁化學(xué)家應(yīng)分家重視自組裝的研究，并要注意師從自然，通過(guò)自組裝來(lái)制備更加高級(jí)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
分子自組裝的原理和特點(diǎn)自組裝是指構(gòu)筑基元在一定條件下自發(fā)地形成有序機(jī)結(jié)構(gòu)的過(guò)程。它是創(chuàng)造新物質(zhì)和產(chǎn)生新功能的重要手段。它遵循能量原理，對(duì)于開(kāi)放的、遠(yuǎn)離平衡態(tài)的有高度活性的體系可能服從于耗散結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)則。分子自發(fā)地通過(guò)無(wú)數(shù)非共價(jià)鍵的弱相互作用力的協(xié)同作用是發(fā)生自組裝的關(guān)鍵。這里的“弱相互作用力”指的是氫鍵、范德華力、靜電力、疏水作用力、 π-π 堆積作用、陽(yáng)離子一π吸附作用等。非共價(jià)鍵的弱相互作用力維持自組裝體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和完整性[4]。并不是所有分子都能夠發(fā)生自組裝過(guò)程，它的產(chǎn)生需要兩個(gè)條件[5]：自組裝的動(dòng)力以及導(dǎo)向作用。自組裝的動(dòng)力指分子間的弱相互作用力的協(xié)同作用，它為分子自組裝提供能量。自組裝的導(dǎo)向作用指的是分子在空間的互補(bǔ)性，也就是說(shuō)要使分子自組裝發(fā)生就必須在空間的尺寸和方向上達(dá)到分子重排要求。自組裝膜的制備及應(yīng)用是目前自組裝領(lǐng)域研究的主要方向。自組裝膜按其成膜機(jī)理分為自組裝單層膜(seassembled monolayers，SAMs)和逐層自組裝膜(Layer-by-layerself-assembled membrane)。如圖1所示，自組裝膜的成膜機(jī)理是通過(guò)固液界面間的化學(xué)吸附，在基體上形成化學(xué)鍵連接的、取向排列的、緊密的二維有序單分子層，是納米級(jí)的超薄膜?；钚苑肿拥念^基與基體之間的化學(xué)反應(yīng)使活性分子占據(jù)基體表面上每個(gè)可以鍵接的位置，并通過(guò)分子間力使吸附分子緊密排列。如果活性分子的尾基也具有某種反應(yīng)活性，則又可繼續(xù)與別的物質(zhì)反應(yīng)，形成多層膜，即化學(xué)吸附多層膜。自組裝成膜較另外一種成膜技術(shù)Langmuir-Blodgett(LB)成膜具有操作簡(jiǎn)單，膜的熱力學(xué)性質(zhì)好，膜穩(wěn)定的特點(diǎn)，因而它更是一種具有廣闊應(yīng)用前景的成膜技術(shù)
分子自組裝體系形成的影響因素分子自組裝是在熱力學(xué)平衡條件下進(jìn)行的分子重排過(guò)程，它的影響因素也多種多樣。依據(jù)能量原理，以及自組裝產(chǎn)生的兩個(gè)必要條件即動(dòng)力以及導(dǎo)向作用分別考察了自組裝體系形成過(guò)程中的影響因素，主要?dú)w納為以下三點(diǎn)：分子識(shí)別，組分和溶劑影響。
在有機(jī)分子自組裝過(guò)程中控制組裝順序的指令信息就包含于自組裝分子之中，信息依靠分子識(shí)別進(jìn)行[6]。日前分子識(shí)別進(jìn)一步應(yīng)用于臨床藥物分析、模擬酶催化以及化學(xué)仿生傳感器。為定性分離和設(shè)計(jì)提供更多的信息，也為加速分子發(fā)現(xiàn)提供潛能。
吳苊[7]等利用掃描軌道電鏡觀測(cè)了4一十六烷氧基苯甲酸(T1)和3，4，5一三取代十六烷氧基苯甲酸(T3)分子在石磨上形成的自組裝體系的結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩種分子的自組裝排列結(jié)構(gòu)有著很大的不同：T1分子形成的是有序的明暗相間的條隴狀結(jié)構(gòu)，而T3分子形成的是密堆積結(jié)構(gòu)。這說(shuō)明組分結(jié)構(gòu)的微小變化或組分的數(shù)目變化可能導(dǎo)致其參與形成的自組裝體結(jié)構(gòu)上的重大變化。
溶劑的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)上的不同都可能導(dǎo)致自組裝體系結(jié)構(gòu)發(fā)生重大改變。任何破壞非共價(jià)鍵的溶劑，都可能會(huì)影響到自組裝過(guò)程的進(jìn)行。Joseph M．Desimone[8] 用不同密度液態(tài)或超臨界態(tài)二氧化碳作為溶劑時(shí)，考察對(duì)兩性共聚分子的自組裝的形成的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在CO2 溶劑密度低于0.82g／cm3 時(shí)，CO2相和高分子相是獨(dú)立存在的；當(dāng)CO2溶劑密度增加時(shí)，高分子溶解，成為低聚物(半徑2～4nm)；當(dāng)密度到達(dá)一定值時(shí)，低聚物團(tuán)聚成球形顆粒。由此可知溶劑的密度對(duì)自組裝確實(shí)有一定的影響。
分子自組裝的應(yīng)用及研究進(jìn)展分子自組裝的應(yīng)用愈來(lái)愈得到各國(guó)研究者的重視。總體來(lái)講，分子自組裝的應(yīng)用分為以下三個(gè)方面：納米材料中的應(yīng)用，膜材料方面的應(yīng)用以及生物科學(xué)中的應(yīng)用本文由中藥標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照品中心整理提供。
分子自組裝在納米材料中的應(yīng)用分子自組裝技術(shù)在納米技術(shù)中的應(yīng)用主要集中在納米介孔材料、納米管、納米微粒的制備中。
在線客服