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| 分子自組裝的原理和特點(diǎn)以及科學(xué)中的應(yīng)用 | |||
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2005年7月美國《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)問題。唯一的化學(xué)問題就是“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，通過自組裝來制備更加高級復(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。它遵循能量最低原理，對于開放的、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)地通過無數(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，是納米級的超薄膜。活性分子的頭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)行的分子重排過程，它的影響因素也多種多樣。依據(jù)能量最低原理，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程中的影響因素，主要?dú)w納為以下三點(diǎn)：分子識別，組分和溶劑影響。
在有機(jī)分子自組裝過程中控制組裝順序的指令信息就包含于自組裝分子之中，信息依靠分子識別進(jìn)行[6]。日前分子識別進(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)用愈來愈得到各國研究者的重視。總體來講，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。 |
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