分子自組裝

自組裝 (self-assembly) 為系統之構成元素(components；如分子)在不受人類外力之介入下，自行聚集、組織成規則結構的現象。例如分子的結晶即是一種自組裝現象。

基本介紹

• 中文名：分子自組裝
• 外文名：(self-assembly）
• 構成：元素
• 條件：不受人類外力
• 現象：自行聚集、組織成規則結構

分子自組裝簡介

自組裝程式的發生通常會將系統從一個無序(disordered)的狀態轉化成一個有序(ordered)的狀態，其可以發生在不同的尺度，例如分子首先聚集成納米尺寸的超分子單元(supramolecular unit；如界面活性劑分子自組裝成微胞)，這些超分子單元間的作用力進而促使其在空間上做規則的排列(如微胞排列成體心立方之晶格)，而使系統具有一種階級性結構(hierarchical structure)。自組裝普遍存在於自然界中，如生物體的細胞即是由各種生物分子自組裝而成；而運用各種分子之自組裝亦是建構納米材料非常重要的方法，這種所謂由下而上（bottom-up）的方法目前被廣泛套用來製備具光、電、磁、感測、與催化功能的納米材料。

多分子自組裝體化學

概述

分子聚集體化學是化學發展的新層次。分子聚集體化學以分子之間的弱相互作用及其協同效應為基礎，自組裝是創造具有新穎結構和功能的有序分子聚集體的重要手段。分子聚集體的化學為實現化學學科的知識創新提供了契機，同時它與物理、生物、材料等學科交叉融合，而成為產生新概念和高技術的重要源頭之一。擬解決的關鍵科學問題：多層次、多組分的分子自組裝及組裝動態過程；分子間弱相互作用的加合性、協同性和方向性；分子聚集體中的電子轉移、能量傳遞和化學轉換。

研究內容

1、分子間相互作用的協同效應與自組裝原理：通過多識別位點單體的組裝，闡明分子間相互作用的加合性、協同性和方向性，建立二維及三維空間分層次組裝的有效原理和方法。

2、多層次、多組分的界面分子組裝與功能：致力建立多級界面分子組裝方法，研究溶液中的有序組裝體在界面轉化的規律及其動態形成過程和解組裝過程，實現多組分、多層次的功能組裝體構築。

3、超分子複合物體系組裝及組裝過程：基於各種弱相互作用組裝形態和性質各異的超分子複合物，實現由超分子複合製備功能超分子材料。

4、分子聚集體中的電子轉移、能量傳遞和化學轉換：研究分子聚集體中的電子轉移和能量傳遞，為太陽能光催化制氫提供依據；研究分子聚集體中的化學轉化，為提高化學反應的選擇性提供新的途徑。

5、分子組裝體的手性及功能性手性組裝體：研究分子組裝體中的手性問題，並創造具有手性放大、手性傳遞、手性記憶等功能的手性組裝體。

6、生物膜模擬與人工酶：以聚合物囊泡作為模型體系，分別從形態、結構和功能三個層面來模擬生物膜；構築新型高效超分子人工酶體系。

預期目標

1.建立分子自組裝的新概念和新技術，揭示分子自組裝的動態過程，認識分子間弱相互作用的加合性、協同性和方向性，闡明分子聚集體中的電子轉移、能量傳遞和化學轉換的規律，使我國分子聚集體化學的研究水平繼續躋身於國際先進行列，某些領域達到國際領先的水平；

2.發展具有高效率、高選擇性的分子聚集體微反應器和超分子酶催化體系，創造若干新型智慧型回響的功能超分子材料，在分子組裝的功能研究方面做出具有重要套用意義的成果；

3.形成一支具有堅實的理論基礎、創新能力、團隊精神並且在國際上有重要影響的優秀研究隊伍。

價值

超分子自組裝是近年來倍受重視的國際前沿課題。超分子自組裝是分子通過分子間相互作用形成具有有序結構的聚集體。它往往表現出單個分子或低級分子聚集體所不具有的特性與功能。因此，研究不同層次有序分子聚集體內和分子聚集體之間的弱相互作用是如何通過協同效應組裝形成穩定的有序高級結構；弄清分子結構與分子聚集體高級結構之間的關係和聚集體結構與性能的關係，揭示物質多層次構築的內在規律，揭示了一些新的科學現象並提出了新的理論計算方法，能對信息、能源，生命，環境和材料科學中涉及分子以上層次的問題的認識產生飛躍。超分子自組裝的研究首先從生物體系的研究受到啟發：生命體系中大分子的高級有序結構對其生物活性與功能起著非常重要的作用，由許多弱相互作用點共同作用使得很複雜的生物高分子形成嚴格一致的分子形狀和尺寸，正是這種弱相互作用對大分子三維構築的精確控制，才使得生命過程成為可能並得以實現，而這個過程就是超分子自組裝過程。前人的研究主要是通過具有規整結構的構築單元通過超分子自組裝獲得納米或微米尺度的有序聚集體。而有序體尺度越大，越難以實現高級有序結構.

分子自組裝套用

（1）分子自組裝在膜材料方面的套用：

分子自組裝膜,特別是自組裝單分子膜(SAMs),是分子自組裝研究最多的領域,並且得到了廣泛的套用。例如,SAMs在電子儀器製造、塑膠成型、防蝕層研究等諸多領域都有實際套用。SunghoKim等研究了TiO2納米粒子與聚苯醯胺自組裝薄膜聚合物膜,這種膜可消除生物污垢。自組裝單分子膜可通過含有自由運動的端基,例如硫醇,氨基等的有機分子(脂肪族或者芳香族)對電極表面改性,賦予了電極表面新的功能。NirmalyaK.Chaki等闡述了SAMs在生物感測器上的套用,說明了單層分子膜的設計對基於SAMs的生物感測器有關鍵的作用。F.Sinapi等以多晶鋅為基體利用自組裝技術在乙醇溶液體系中合成了(MeO)3Si(CH2)3SH自組裝膜,並證實了這種膜是一種具有保護作用的吸收膜。

（2）分子自組裝在生物科學方面的套用：

目前分子自組裝在生物科學中主要套用在酶、蛋白質、DNA、縮氨酸、磷脂的生物分子自組裝膜。這些生物分子自組裝膜被廣泛套用於生物感測器、分子器件、高效催化材料、醫用生物材料領域。例如,縮氨酸表面活性劑的自組裝行為對於研究不含油脂的生物表面活性劑的人工合成和分子自組裝的動力學具有積極的意義。Santoso等人就利用類表面活性劑的縮氨酸分子自組裝合成了納米管納米囊泡,研究表明其平均直徑在30～50nm之間。DNA 樹枝狀大分子的自組裝是在生命體中組蛋白 DNA自組裝體系人工模擬的最佳途徑。由於DNA 樹枝狀大分子自組裝體系中的DNA對核酸酶降解的阻礙作用,使得這種自組裝體系的結構在基因治療和生物醫學領域有非常重要的套用。酶、蛋白質、DNA等生物分子自組裝體系,不僅保持了生物分子獨特的生物功能,同時又為信息、電子科學的發展提供了微型化、智慧型化的材料。隨著生物技術的進一步發展和材料性能的進一步提高,生物大分子自組裝體系將得到更深入的研究和更廣泛的運用。