超分子組裝是自下而上創造新物質和產生新功能的重要手段。利用該方法可以構筑多級組裝結構，獲得動態、多功能及高性能的超分子材料。超分子材料中對外場作用非常靈敏的分子間弱相互作用力為組裝體的結構形態與功能調控提供了可能，從而賦予材料以刺激響應性以及自修復等優異性能。本書將以此為背景，著重論述沈家驄院士及其所在的超分子結構與材料國家重點實驗室近年來在基于超分子理念的高性能光電材料、金屬簇及其組裝材料、生物超分子組裝材料、超分子自修復材料以及超分子材料多尺度模擬和表征方法等領域所取得的主要進展。
目 錄
前 言
第1章 超分子自組裝材料的多尺度模擬研究方法 1
1.1 引言 1
1.2 模擬方法簡介 4
1.2.1 基于粒子描述的模擬方法 4
1.2.2 基于場描述的理論方法 7
1.3 構建多尺度模擬體系的粗粒化方案 8
1.3.1 概述 8
1.3.2 基于模擬體系結構性質的粗粒化方案 10
1.3.3 基于模擬體系熱力學性質的粗粒化方案 17
1.3.4 基于模擬體系能量/力匹配方法的粗粒化方案 20
1.3.5 基于分子動力學的雜化模擬方案 23
1.4 總結與展望 25
參考文獻 26
第2章 超分子光電材料及器件 31
2.1 有機發光材料的聚集態結構 31
2.1.1 H-聚集 31
2.1.2 J-聚集 31
2.1.3 交叉聚集 36
2.1.4 其他聚集方式 38
2.2 超分子發光晶體結構與性能關系 39
2.2.1 分子構型與發光性能 40
2.2.2 分子構象與發光性能 41
2.2.3 分子排列與發光性能 42
2.2.4 超分子作用距離與發光性能 46
2.3 單苯環發光材料 47
2.3.1 單苯環發光材料的結構特征 47
2.3.2 單苯環發光顏色調控 51
2.3.3 單苯環發光材料應用 55
2.4 柔性有機超分子發光單晶 57
2.4.1 塑性有機晶體材料 57
2.4.2 彈性有機晶體材料 61
2.4.3 彈性發光晶體材料 63
2.5 總結與展望 68
參考文獻 68
第3章 有機電致發光激發態新概念：由單分子到超分子 72
3.1 研究背景與關鍵問題 72
3.1.1 有機電致發光過程中自旋統計問題 72
3.1.2 金屬配合物磷光材料突破自旋統計 73
3.1.3 共軛聚合物材料突破自旋統計 74
3.1.4 延遲熒光材料突破自旋統計 75
3.2 中性自由基發光的雙線態 76
3.2.1 有機自由基分子簡介 77
3.2.2 一些常見的穩定中性自由基分子分類 78
3.2.3 雙線態發光自由基材料與器件 79
3.3 雜化局域-電荷轉移激發態 83
3.3.1 雜化局域-電荷轉移激發態的提出 83
3.3.2 雜化局域-電荷轉移激發態的形成 85
3.3.3 雜化局域-電荷轉移激發態的特征 86
3.3.4 雜化局域-電荷轉移激發態的分子設計與結構調控 93
3.3.5 雜化局域-電荷轉移激發態材料、器件與應用 96
3.4 有機π-π作用雙(超)分子激發態 99
3.4.1 激基締合物的定義和特征 100
3.4.2 高效率和長壽命的π-π作用雙分子發光 101
3.4.3 高效率π-π作用雙分子發光的實驗驗證 106
3.4.4 離散π-π二聚體堆積的分子設計與超分子構筑 107
3.4.5 雙分子與超分子發光材料及應用 110
3.5 總結與展望 113
參考文獻 113
第4章 金屬簇組裝材料 119
4.1 背景介紹 119
4.1.1 金屬納米簇的概念與特點 119
4.1.2 金屬納米簇的主要性質及應用 120
4.1.3 金屬納米簇的聚集誘導發光現象 123
4.2 金屬納米簇組裝材料的形貌調控 124
4.2.1 金納米簇片狀組裝材料 124
4.2.2 金納米簇組裝材料的結構調控與組裝動力學 127
4.2.3 銅納米簇組裝材料 131
4.2.4 金屬納米簇組裝材料的衍生物 133
4.3 自組裝誘導增強金屬納米簇發光 135
4.3.1 基于銅納米簇的自組裝誘導增強發光材料 135
4.3.2 銅納米簇自組裝材料的發光中心 137
4.4 全光譜發射的銅納米簇自組裝材料 141
4.4.1 缺陷調節的自組裝誘導發光 141
4.4.2 金屬摻雜調控自組裝材料發光 144
4.4.3 配體調控自組裝材料發光 148
4.4.4 鹵原子調控自組裝材料發光 151
4.4.5 簇間距調控自組裝材料發光 153
4.5 基于金屬納米簇自組裝材料的LED 155
4.5.1 單色光及白光LED 156
4.5.2 器件構筑新方法 156
4.6 總結與展望 160
參考文獻 160
第5章 光功能納米晶與聚合物復合超分子材料 165
5.1 引言 165
5.2 光功能納米基元的制備 166
5.2.1 半導體納米晶 166
5.2.2 碳基納米點 166
5.3 納米晶/聚合物復合超分子材料的制備方法及性質 167
5.3.1 納米晶/聚合物復合超分子材料的制備方法 168
5.3.2 納米晶/聚合物一維復合材料 169
5.3.3 納米晶/聚合物二維復合材料 170
5.3.4 納米晶/聚合物體相復合材料 172
5.3.5 納米晶/聚合物復合微球 172
5.4 納米晶/聚合物復合超分子發光材料 175
5.4.1 多聚羧基對CdTe納米晶的表面修飾 175
5.4.2 CdTe納米晶/咔唑類聚合物組裝白光材料 176
5.4.3 穩定的鈣鈦礦納米晶/聚合物復合發光材料 177
5.4.4 碳點/聚合物復合超分子發光材料 178
5.5 聚合物/納米晶復合超分子光電材料 179
5.5.1 聚合物/納米晶雜化太陽能電池的基本原理及表征 179
5.5.2 超分子作用力調控活性層形貌與光電性能 181
5.5.3 水溶液加工的聚合物/納米晶雜化太陽能電池 183
5.6 納米晶/聚合物復合超分子高折射率光學材料 188
5.6.1 可聚合硫化鋅納米晶體相雜化光學材料 189
5.6.2 可聚合石墨烯量子點/聚合物雜化光學材料 191
5.6.3 可聚合硅納米晶/聚合物雜化光學材料 192
5.7 總結與展望 194
參考文獻 194
第6章 離子簇超分子復合物的組裝與功能化 201
6.1 組裝體、預組裝體和復合構筑基元 201
6.1.1 超分子化學與自組裝 201
6.1.2 組裝的過程控制和預組裝體 203
6.1.3 構筑基元對組裝結構和性質的導向作用 204
6.2 多金屬氧簇及其超分子復合物 204
6.2.1 多金屬氧簇結構及性質 204
6.2.2 多金屬氧簇離子復合物預組裝體 206
6.2.3 多金屬氧簇超分子復合物的結構性質 207
6.3 多金屬氧簇超分子復合物組裝結構與組裝機理 208
6.3.1 界面組裝與溶液組裝 208
6.3.2 超分子復合物的組裝結構與組分匹配原理 211
6.4 多金屬氧簇超分子復合物微反應器 213
6.4.1 多金屬氧簇的催化原理 213
6.4.2 多金屬氧簇超分子復合物組裝體作為微反應器 214
6.4.3 多金屬氧簇超分子復合物組裝體的固載及其催化氧化 218
6.5 多金屬氧簇超分子復合物液晶 222
6.5.1 液晶自組裝 222
6.5.2 超分子復合物液晶結構 223
6.5.3 超分子復合物液晶功能性 226
6.6 多金屬氧簇超分子復合物生物成像及光熱治療 226
6.6.1 多金屬氧簇超分子復合物的水相轉移 226
6.6.2 多金屬氧簇超分子復合物組裝結構與磁共振成像 227
6.6.3 多金屬氧簇超分子復合物多功能成像 229
6.6.4 多金屬氧簇超分子復合物生物成像與一體化治療 230
6.7 多金屬氧簇超分子復合物界面層用于有機太陽能器件 232
6.7.1 多金屬氧簇超分子復合物在聚合物太陽能電池方面的應用 232
6.7.2 多金屬氧簇超分子復合物的界面相互作用 233
6.8 多金屬氧簇構筑骨架結構自組裝分離膜 234
6.8.1 靜電力和主客體識別驅動的二維單層骨架結構 234
6.8.2 二維單層離子骨架結構構筑及其納米分離膜 236
6.9 總結與展望 238
參考文獻 238
第7章 蛋白質組裝材料 244
7.1 蛋白質組裝概述 244
7.2 蛋白質組裝驅動力 246
7.2.1 模板誘導蛋白質自組裝 246
7.2.2 蛋白質-配體相互作用驅動蛋白質自組裝 249
7.2.3 主客體識別驅動蛋白質自組裝 250
7.2.4 金屬螯合作用誘導蛋白質自組裝 252
7.2.5 靜電相互作用誘導蛋白質自組裝 253
7.2.6 多肽調節蛋白質自組裝 255
7.2.7 聚合物調節蛋白質自組裝 256
7.2.8 共價誘導蛋白質自組裝 258
7.3 蛋白質組裝體結構與調控 259
7.3.1 一維蛋白質組裝體 259
7.3.2 二維蛋白質組裝體 261
7.3.3 三維蛋白質組裝體 263
7.3.4 蛋白質組裝結構的調控 265
7.4 基于蛋白質組裝體構筑生物功能材料 269
7.4.1 生物傳感材料 269
7.4.2 生物催化材料 271
7.4.3 生物醫學診斷與治療材料 272
7.4.4 其他功能材料 274
7.5 總結與展望 276
參考文獻 277
第8章 動態超分子自組裝及超分子納米機器 282
8.1 引言 282
8.2 水溶液自組裝動態超分子納米管 283
8.2.1 納米管的開-關轉換 283
8.2.2 片層結構卷曲成納米管 286
8.2.3 客體驅動納米纖維膨脹成空心納米管 289
8.2.4 DNA及其管狀組裝體外殼的協同機械運動 291
8.3 動態二維納米片的超分子組裝 294
8.3.1 面上接枝芳香兩親性分子形成可轉換的納米多孔片狀結構 294
8.3.2 具有分子泵行為對映體篩選的手性多孔納米片 298
8.3.3 二維多孔異質結構的組裝與解組裝 301
8.3.4 大環異構體選擇性組裝成靜態和動態納米片 304
8.4 具有動態結構變化的α-螺旋肽組裝 305
8.4.1 螺旋肽的定向組裝 305
8.4.2 用于對映體捕獲的可逆α-螺旋肽 307
8.4.3 具有手性膜的α-螺旋肽囊泡作為手性選擇性納米反應器 309
8.5 具有響應性的糖纖維用以調控細胞增殖 311
8.6 總結與展望 314
參考文獻 315
第9章 自修復超分子材料 323
9.1 引言 323
9.2 自修復材料的制備方法與分類 324
9.2.1 自修復材料的制備方法 324
9.2.2 自發型和非自發型自修復材料 333
9.3 自修復膜材料 334
9.3.1 自修復超疏水膜材料 334
9.3.2 劃痕自修復膜 340
9.4 自修復體相聚合物 349
9.4.1 自修復水凝膠與彈性體 350
9.4.2 高強度自修復體相材料 352
9.4.3 功能性自修復體相材料 356
9.5 總結與展望 359
參考文獻 360
第10章 特種功能超分子材料 368
10.1 水基超分子膠黏材料 368
10.1.1 以高分子為組裝基元的超分子膠黏劑 369
10.1.2 基于短肽及氨基酸小分子的超分子膠黏劑 372
10.2 基于衣殼蛋白組裝調控的抗HPV 新材料 378
10.2.1 概述 378
10.2.2 HPVL1單體到五聚體組裝調控平臺的構建及相關小分子組裝調控 379
10.2.3 影響HPVL1-p形成的熱點(hot-spot)發現及以此為靶點的小肽類抑制劑調控 383
10.2.4 HPV16和HPV18衣殼蛋白L1的雜合共組裝調控 385
10.2.5 HPV衣殼蛋白堿性肽鏈段與含銪多金屬氧簇的組裝調控及其應用 386
10.2.6 多金屬氧簇與HPVL1-p的共組裝 389
10.3 超分子螺旋與孔材料 391
10.3.1 概述 391
10.3.2 超分子螺旋 391
10.3.3 螺旋孔材料 396
10.4 功能超分子凝膠 398
10.4.1 不同發光顏色的熒光軟物質材料 399
10.4.2 熱響應熒光軟物質材料或膜材料 400
10.4.3 具有光響應行為的熒光軟物質材料 400
10.4.4 氣體傳感器 401
10.4.5 離子傳感器 402
10.4.6 具有手性光學性質的軟材料 403
10.4.7 其他應用 404
10.5 總結與展望 405
參考文獻 405
第11章 表面增強拉曼散射活性材料與超分子表征 413
11.1 表面增強拉曼散射簡介 413
11.2 SERS 的基本原理 413
11.3 SERS 活性材料 415
11.3.1 貴金屬 416
11.3.2 過渡金屬 416
11.3.3 半導體材料 416
11.4 半導體拉曼散射增強機理 422
11.4.1 物理增強機理(表面等離激元共振、米氏共振) 422
11.4.2 化學增強機理(電荷轉移共振、激子共振) 426
11.4.3 半導體SERS選擇定則 430
11.5 SERS活性材料用于超分子表征 432
11.5.1 SERS研究組裝體系氫鍵作用 432
11.5.2 半導體SERS基底研究分子間弱相互作用 441
11.6 總結和展望 441
參考文獻 442
第12章 單分子力譜與超分子材料 448
12.1 單分子力譜技術簡介 448
12.1.1 基于磁鑷的單分子力譜技術 449
12.1.2 基于光鑷的單分子力譜技術 450
12.1.3 基于原子力顯微鏡的單分子力譜技術 451
12.2 超分子組裝推動力的認識 452
12.2.1 孤立體系中相互作用 452
12.2.2 組裝體中作用力的認識 462
12.3 基于單分子力譜的超分子材料設計與制備 469
12.3.1 仿生材料 469
12.3.2 自修復材料 470
12.3.3 多重力學響應材料 473
12.4 力譜技術的發展 476
12.4.1 高速力譜 476
12.4.2 力精度提升 477
12.4.3 空氣相單分子力譜技術 477
12.5 總結與展望 480
參考文獻 481
索引 487
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