納米科學的利劍——分子自組裝

分子的組裝或自組裝是創造新物質的重要手段和技術方法之一，自組裝應看成是組裝中的特殊情形。通過自組裝，結構單元（可以是原子/分子，分子集團，納米尺度聚集體、納米材料等）借助分子間弱相互作用自發形成穩定的、具有特定結構和功能的、主要以非共價鍵結合的聚集體系。自組裝雖然以化學過程為主，但又有物理過程或類似生物過程，與傳統制備方法相比有明顯區別，研究組裝和自組裝是一新興的、具有重要意義的交叉學科方向。若干分子組裝體的結構以及功能是用傳統制備方法所無法獲得的，分子組裝技術在新物質創造及獲得特定功能方面具有不可替代的作用。

幾種由自組裝過程得到的組裝體。從左向右依次為DNA的雙螺旋結構，磷脂膜囊泡，ZnO納米材料，金單晶表面的紫羅蘭分子組裝結構

自組裝現象廣泛存在于自然界之中，存在于生命系統之中，如DNA的雙螺旋結構，蛋白質的聚集與折疊，細胞或某些生命體等等，它們都被認為是分子自組裝的結果。科學家們利用自組裝技術制備各種自組裝結構，其自組裝的內涵和規律也被不斷認識和發現。隨著現代科學技術的進步，尤其隨著信息、電子、生命、材料、納米等研究領域的快速發展，自組裝技術引起了人們的廣泛關注和重視。當人們嘗試用原子或分子或納米尺度功能集合體作為基元來構筑器件（即“自下而上”－Bottom-up方法）時，發現依靠傳統的加工技術（即“自上而下”－Top-down方法）是困難重重，甚至是無法實現的。此時，利用這些基元間的弱相互作用來自動“裝配”，才有望得到具有特定功能的新的結構體或新的物質，才有可能滿足人們在信息、生命、電子、材料和納米等領域的應用需求，這里自組裝的方法學意義和特定功能性都顯得尤為重要。

理論計算優化的分子構象和FTBC-C4的單晶X射線衍射的晶體結構

納米科技被認為是在納米尺度上 (約在0.1-100 nm之間) 研究原子、分子和電子的運動規律和特點，并利用這些規律發展新材料、新工藝和新器件的多學科交叉的科學和技術。納米科學技術的重要目標之一是利用以原子、分子及物質在納米尺度上表現出來的新穎的物理、化學和生物學等特性制造出具有特定功能的產品和器件，其中納米器件的研制水平和應用程度應是代表納米科技發展水平的重要標志。而可控構筑納米結構和納米材料，實現對物質在納米尺度上的加工，則是制備納米器件的基礎和前提。Bottom-up（自下而上）方法是納米科學技術的重要技術和特點之一，也是人們利用單個原子或分子，在納米尺度創造新的結構、新的物質和新的功能的方法之一。而自組裝技術是“自下而上”方法中的重要技術手段。通過自組裝人們期望可以得到用傳統化學合成或加工方法得不到的結果。但是，自組裝結構的獲得與多種因素有關，例如溶劑、組裝環境、外場作用、溫度等對最終組裝產物均有重要影響，且由于組裝過程的復雜性，尚難以找到如化學反應方程式一樣的普遍規律來控制自組裝，一種材料因其組裝條件的不同就會產生不同的組裝結果，具有不同的形態和性質。因此，人們對自組裝的規律仍在不斷認識和探索之中，既有挑戰，又有機會。不過值得指出的是，自組裝方法雖然有效，有時威力強大，且前景誘人，也并非是萬能的方法，不是創造新物質，新的復雜體系和實現特定功能的唯一方法，如欲得到某種特定結構和功能，常需自組裝方法和其它化學合成等方法的結合，也不必將傳統的化學合成硬套上“自組裝”的標簽。

經過多年努力，特別是近十余年的探索，科學工作者已經在組裝和自組裝研究領域積累了大量實際經驗和實驗結果，無論是固體表面組裝，還是溶液等環境中的組裝，無論是分子的表面圖案化，還是納米材料的制備等都取得了重要進展，在理論和實驗兩方面都取得了有意義的結果，不僅使物質世界更為豐富多彩，也確實為新物質新功能的創造提供了又一重要途徑。

TMA分子結構模型(a), 通過氫鍵可以形成二聚體(b)和三聚體(c)

目前，分子自組裝研究中的科學問題主要集中在組裝體中組裝單元的成鍵的本質和規律，成鍵強度，優先性，方向性，成鍵的條件和預測，包括分子間，分子內，分子與基底間的相互作用等。技術問題主要集中在可控組裝，即組裝的開始與中止，組裝過程的控制等。還有組裝體系的集成，組裝體的功能，以及組裝過程的原位檢測監視技術等。具體內容例如，性質明確和結構可控的功能分子和組裝單元的合成，以及合成中分子內相互作用和組裝單元內相互作用的研究，這些研究將為組裝提供組裝單元或功能基元。組裝過程中和組裝體體系的表界面研究，自組裝過程動力學和組裝體系熱力學穩定性的研究，組裝體系中成鍵的本質和規律，如化學鍵還是非共價鍵，成鍵強度，優先性，方向性，成鍵的條件和預測，這些研究將有助于理解組裝規律，實現圖案化組裝，定向組裝，集成組裝，多元多層次組裝，以及某些特定結構如手性結構的組裝和控制。組裝體的理論研究也非常重要，通過理論模擬，可以預測組裝體系的結構和功能。另外，利用已有的分析檢測技術并發展新的分析檢測技術，實現對組裝體系的性質研究以及原位觀測也是當務之急。

FTBC-C4 的組裝模型和模擬的STM結果。（a）（b）單分子和周期性結構的幾何優化模型。（c）（d）分別是（a）（b）的側視圖。（e）以up-down結構為模型模擬的 STM圖像

歸納上述內容，目前在分子組裝領域的前沿研究方向至少包括：

（1）組裝規律和組裝方法學的研究。從復雜多樣的組裝體系中獲得具有特定結構的途徑，借此從“必然王國”達到“自由王國”；

（2）對實現特定功能所需結構的認識，及結構與功能關系的研究；

（3）原位觀察分析和檢測組裝過程、組裝產物和組裝體系功能的技術方法。

本期聯合推薦萬立駿著的《固體表面分子組裝》。萬立駿先生于2005年出版了《電化學掃描隧道顯微術及其應用》（2011年再版）一書。多年來，致力于將電化學STM技術拓展到多領域的研究，技術上也發展成為化學環境下的STM技術，包括大氣、水溶液、有機溶液、氣氛可控等。利用該技術有選擇的系統研究了多個系列的分子表面組裝，現今結集出版的《固體表面分子組裝》是對相關工作的歸納總結。

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