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  超分子組裝是自下而上創(chuàng)造新物質(zhì)和產(chǎn)生新功能的重要手段。利用該方法可以構(gòu)筑多級(jí)組裝結(jié)構(gòu)，獲得動(dòng)態(tài)、多功能及高性能的超分子材料。超分子材料中分子間的可逆弱相互作用為組裝體的結(jié)構(gòu)形態(tài)與功能調(diào)控提供了可能，從而賦予材料以刺激響應(yīng)性以及自修復(fù)等優(yōu)異性能。

  在分子化學(xué)研究中，人們?cè)诓粩嗌罨瘜?duì)經(jīng)典化學(xué)鍵認(rèn)識(shí)的同時(shí)，也更多地認(rèn)識(shí)到了分子間相互作用的重要性。到了20世紀(jì)70年代，法國(guó)的J. M. Lehn教授提出超分子化學(xué)的概念，并因此在1987年與其他兩位美國(guó)學(xué)者一起榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，將超分子化學(xué)、分子識(shí)別和主客體化學(xué)推向科學(xué)發(fā)展的前沿，從此開(kāi)啟了人類利用超分子化學(xué)認(rèn)識(shí)世界的新層面。到了今天，超分子相互作用不僅被各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家廣泛接受，而且被用于獲得大量用傳統(tǒng)方法難以獲得的新材料。吉林大學(xué)的研究集體在國(guó)際合作中，在德國(guó)科學(xué)院院士H.Ringsdorf教授（德國(guó)Mainz大學(xué)）和法國(guó)科學(xué)院院士J. M. Lehn教授（法國(guó)Strasbourg大學(xué)）等的引領(lǐng)下，于20世紀(jì)80年代末進(jìn)入超分子化學(xué)研究領(lǐng)域。為了推動(dòng)超分子研究在國(guó)內(nèi)的開(kāi)展，吉林大學(xué)沈家驄教授和張希教授與兩位國(guó)際先驅(qū)者于90年代共同組織了包括“超分子體系香山科學(xué)會(huì)議”在內(nèi)的一系列超分子化學(xué)方面的國(guó)際會(huì)議，以超分子體系（supramolecular system）為中心課題，不僅提高了對(duì)超分子發(fā)展的認(rèn)識(shí)，也在國(guó)內(nèi)培養(yǎng)了一批研究骨干，有效地推動(dòng)了國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的快速發(fā)展。

  吉林大學(xué)的超分子體系研究以層層組裝復(fù)合膜與納米微粒為起點(diǎn)，以能源材料（發(fā)光）為重點(diǎn)，聚焦在超分子結(jié)構(gòu)構(gòu)筑與功能導(dǎo)向的超分子材料，并以發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)作基礎(chǔ)、功能擴(kuò)展和材料導(dǎo)向?yàn)槟繕?biāo)。研究集體依托“超分子結(jié)構(gòu)與材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”開(kāi)展工作，并于2010年正式升格為國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

  實(shí)驗(yàn)室圍繞超分子材料的核心目標(biāo)，從基礎(chǔ)做起，開(kāi)展系統(tǒng)研究。目前已經(jīng)發(fā)展和建立了若干個(gè)超分子材料體系，如超分子光電材料體系、以金屬-離子簇為基元的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化體系、微粒復(fù)合材料體系、精準(zhǔn)組裝動(dòng)態(tài)材料體系，以及蛋白質(zhì)組裝體系等，這些都將在本書(shū)逐章加以介紹。這些體系為材料研發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)方法方面，發(fā)展了可以用于超分子材料表征的半導(dǎo)體拉曼增強(qiáng)光譜和單分子力學(xué)譜。

  超分子材料集成了分子自身的結(jié)構(gòu)信息和功能信息，亦利用分子間相互作用實(shí)現(xiàn)了對(duì)分子組裝體的動(dòng)態(tài)控制和功能協(xié)同，既有宏觀表現(xiàn)，又可以將結(jié)構(gòu)控制在微納尺度，是未來(lái)高性能材料的突破口與新起點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)十幾年的潛心研究積累，形成了對(duì)超分子材料作為很有潛力的新型材料的多方面認(rèn)識(shí)，其特點(diǎn)可以概括如下：

  （1）分子間弱相互作用力（簡(jiǎn)稱超分子力），具有加和性與協(xié)同性，加和起來(lái)的超分子力很強(qiáng)，可使材料形成穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；強(qiáng)作用可在外場(chǎng)作用下化解為弱作用；超分子力還具有高刺激響應(yīng)性和很強(qiáng)的環(huán)境依賴性。

  （2）超分子力通過(guò)組裝與自組裝過(guò)程形成超分子結(jié)構(gòu)，超分子的組裝過(guò)程是結(jié)構(gòu)基元通過(guò)超分子力結(jié)合的過(guò)程，或是動(dòng)態(tài)的分子識(shí)別的過(guò)程。該過(guò)程具有動(dòng)態(tài)平衡性質(zhì)，使超分子結(jié)構(gòu)具有多元結(jié)構(gòu)的特征，形成具有不同結(jié)構(gòu)、不同狀態(tài)、不同組成的特殊組裝體。組裝過(guò)程主要包括：組裝與解組裝、界面組裝、具有耗散結(jié)構(gòu)的非平衡態(tài)組裝過(guò)程等，不同的組裝過(guò)程可以產(chǎn)生不同的超分子結(jié)構(gòu)及相關(guān)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

  （3）超分子結(jié)構(gòu)與分子結(jié)構(gòu)相互依存于多維空間之中，形成超分子體系。超分子體系是多元結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)合體，可以把不同功能的結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，如有機(jī)與無(wú)機(jī)、剛性與柔性、親水與親油的結(jié)合等，將多種性能迥異或相反的結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起，或稱之為對(duì)立的統(tǒng)一與轉(zhuǎn)化；動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的結(jié)合，使納米環(huán)、螺旋纖維、納米管及二維材料之間存在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化與動(dòng)態(tài)平衡，使蛋白質(zhì)等天然和合成材料體系中的超分子結(jié)構(gòu)還具有自修復(fù)、自適應(yīng)等高精度結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的特征。

  （4）超分子結(jié)構(gòu)基于超分子力的環(huán)境（外場(chǎng)）依賴性，賦予結(jié)構(gòu)高響應(yīng)性，包括不同時(shí)間尺度的響應(yīng)性，有可能形成超分子芯片、多重響應(yīng)體系，這就要求發(fā)展提高超分子力及超分子結(jié)構(gòu)測(cè)試靈敏度的方法，如半導(dǎo)體拉曼增強(qiáng)光譜、單分子力學(xué)譜、氫鍵的超分子譜學(xué)等。

  （5）超分子材料是由超分子力與超分子結(jié)構(gòu)相組合而形成的超分子體系，具有特殊的功能，如具有彈性的單晶材料、柔性的多孔材料、油/水與水/油可轉(zhuǎn)換的分離膜、不同孔徑的螺旋通道、全色的單核電致發(fā)光材料、可改變孔徑帶開(kāi)關(guān)的納米管、自修復(fù)材料體、分子馬達(dá)、納米機(jī)器等，有很大的創(chuàng)新空間。

  （6）超分子體系是個(gè)復(fù)雜的體系，它包括基元的分子結(jié)構(gòu)、超分子結(jié)構(gòu)、多元組分與多種結(jié)構(gòu)等。超分子體系的研究方法要從單純依靠有限數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，逐步向以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論模擬與理論計(jì)算三者結(jié)合的研究方法轉(zhuǎn)變。

  《超分子材料引論》即以此為背景，著重論述沈家驄院士及其所在的超分子結(jié)構(gòu)與材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室近年來(lái)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(fù)材料以及超分子材料多尺度模擬和表征方法等領(lǐng)域所取得的主要進(jìn)展。

  第1章介紹了針對(duì)超分子自組裝體系的多尺度模擬研究方法和基于超分子體系性質(zhì)構(gòu)建多尺度模擬模型的必要理論基礎(chǔ)，并針對(duì)基于模擬體系結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)的粗�；桨高M(jìn)行了分析和描述，最后結(jié)合當(dāng)前多尺度模擬方法的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)構(gòu)建超分子體系的粗�；桨高M(jìn)行了歸納、總結(jié)和展望。

  第2章主要論述了分子間弱相互作用在有機(jī)發(fā)光材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及光電性能調(diào)控方面扮演的重要角色。通過(guò)一些典型模型體系揭示了分子構(gòu)型結(jié)構(gòu)、堆積結(jié)構(gòu)及分子間距離等對(duì)有機(jī)材料發(fā)光性能的影響機(jī)制；論述了從分子結(jié)構(gòu)及超分子結(jié)構(gòu)兩個(gè)層次優(yōu)化，基于化學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的有機(jī)分子制備高性能有機(jī)光電材料的新途徑；展示了通過(guò)構(gòu)建各向同性“動(dòng)態(tài)”超分子弱相互作用力，發(fā)展具有光電應(yīng)用潛力的柔性有機(jī)發(fā)光單晶的制備方法。

  第3章主要圍繞有機(jī)電致發(fā)光過(guò)程中自旋統(tǒng)計(jì)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，詳細(xì)介紹了幾種突破自旋統(tǒng)計(jì)限制的激發(fā)態(tài)設(shè)計(jì)新概念，包括中性自由基雙線態(tài)、雜化局域-電荷轉(zhuǎn)移態(tài)和雙（超）分子激發(fā)態(tài)等。有機(jī)電致發(fā)光作為新一代顯示技術(shù)，其核心技術(shù)是發(fā)光材料，因此發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料體系尤為重要。激發(fā)態(tài)性質(zhì)決定發(fā)光性能，是發(fā)光材料的創(chuàng)新源頭。從激發(fā)態(tài)的設(shè)計(jì)與調(diào)控入手，系統(tǒng)描述激發(fā)態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、分子與超分子調(diào)控方法、性質(zhì)表征與器件應(yīng)用，旨在通過(guò)激發(fā)態(tài)的本質(zhì)調(diào)控來(lái)突破電致發(fā)光過(guò)程中的自旋統(tǒng)計(jì)限制，促進(jìn)三線態(tài)能量的利用、轉(zhuǎn)化和規(guī)避，實(shí)現(xiàn)新一代、低成本、高效率有機(jī)（超）分子發(fā)光材料及器件應(yīng)用。

  第4章以自組裝誘導(dǎo)增強(qiáng)金屬納米團(tuán)簇?zé)晒鉃榍腥朦c(diǎn)，介紹了金屬簇自組裝過(guò)程的調(diào)控、組裝對(duì)金屬簇發(fā)光的增強(qiáng)、全光譜發(fā)射的金屬簇自組裝材料制備，以及基于金屬簇自組裝材料的光電器件構(gòu)筑。著重描述了自組裝策略對(duì)銅納米簇?zé)晒鈴?qiáng)度、發(fā)射波長(zhǎng)、光穩(wěn)定性等的重要貢獻(xiàn)。

  第5章重點(diǎn)講述了光功能納米晶與聚合物復(fù)合超分子材料，其中光功能納米基元主要包含半導(dǎo)體納米晶和碳基納米點(diǎn)。超分子作用力對(duì)聚合物納米復(fù)合材料的制備、加工以及最終性質(zhì)起重要調(diào)控作用。這些納米晶聚合物超分子復(fù)合材料在發(fā)光、光電器件及高折射光學(xué)材料上都有著重要應(yīng)用。

  第6章介紹了離子簇超分子復(fù)合物在不同化學(xué)環(huán)境下的界面和溶液組裝行為，闡釋了組裝體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及組裝機(jī)理。通過(guò)組裝結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)調(diào)控，離子簇超分子復(fù)合物在催化反應(yīng)的微反應(yīng)器、多功能液晶、生物成像及光熱治療，以及有機(jī)太陽(yáng)能器件和納米分離膜等方面都展現(xiàn)了新的應(yīng)用潛力。

  第7章詳細(xì)介紹了各類蛋白質(zhì)組裝的新策略，闡明了其組裝驅(qū)動(dòng)力，總結(jié)了制備多維、多層次蛋白質(zhì)組裝體的設(shè)計(jì)原理與構(gòu)筑方法，并探討了其微觀組裝機(jī)理和調(diào)控機(jī)制。依據(jù)蛋白質(zhì)的組裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以模擬生物學(xué)功能為導(dǎo)向，列舉了其在生物傳感材料、生物催化材料、生物醫(yī)學(xué)診斷和治療材料等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

  第8章主要講述剛－柔嵌段分子在水溶液中動(dòng)態(tài)自組裝的研究進(jìn)展。首先介紹了具有機(jī)械運(yùn)動(dòng)的管狀組裝體和二維片狀結(jié)構(gòu)，如何通過(guò)動(dòng)態(tài)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)使自組裝納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的功能，例如酶促作用、對(duì)映體篩分等。然后介紹通過(guò)對(duì)自組裝策略的擴(kuò)展來(lái)構(gòu)筑生物相容性的超分子納米結(jié)構(gòu)，包括多肽納米結(jié)構(gòu)、糖類自組裝體，以及這些自組裝體的生物學(xué)意義。

  第9章論述了具有自修復(fù)性能的超分子材料的研究進(jìn)展。自修復(fù)材料是能夠自發(fā)或在一定刺激下可以修復(fù)其機(jī)械損傷的材料，可顯著提高材料的安全性、穩(wěn)定性并延長(zhǎng)材料的服役壽命。本章系統(tǒng)地介紹了基于超分子相互作用力及動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的自修復(fù)超分子材料的設(shè)計(jì)理念、研究現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展方向。具體介紹了具有自修復(fù)性能的超疏水/超疏油涂層、保護(hù)涂層、可穿戴電子器件、高強(qiáng)度體相材料及水凝膠等材料的研究進(jìn)展，展示了自修復(fù)材料巨大的應(yīng)用前景。

  第10章主要介紹了基于非共價(jià)相互作用構(gòu)筑的具有特種功能特性的新型超分子材料。重點(diǎn)圍繞基于超分子聚合物的仿生膠黏劑體系的構(gòu)建，利用非共價(jià)作用設(shè)計(jì)的針對(duì)病毒顆粒的高效抑制劑，利用協(xié)同分子間作用力構(gòu)筑的超分子螺旋孔材料和仿生離子通道及具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)性的智能超分子凝膠材料。這些研究實(shí)例從不同側(cè)面展現(xiàn)了超分子組裝體在材料及生物等交叉領(lǐng)域的獨(dú)特魅力和巨大的應(yīng)用潛力。我們期望隨著多學(xué)科的深入交叉與融合，進(jìn)一步拓展超分子材料的功能與應(yīng)用。

  第11章主要涉及表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）活性材料與超分子表征。重點(diǎn)歸納了半導(dǎo)體SERS活性材料的發(fā)展、種類及其增強(qiáng)特性。從表面等離激元共振和米氏共振兩個(gè)方面探討了半導(dǎo)體材料的物理增強(qiáng)機(jī)理，并依據(jù)電荷轉(zhuǎn)移共振和激子共振理論詳細(xì)討論了半導(dǎo)體材料的化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理，進(jìn)而總結(jié)了半導(dǎo)體SERS的選擇定則。應(yīng)用研究部分重點(diǎn)概括了化學(xué)增強(qiáng)理論用于解釋分子間氫鍵對(duì)吸附分子的電子結(jié)構(gòu)及體系電荷轉(zhuǎn)移的影響，并介紹了基于SERS 的非標(biāo)記手性對(duì)映體識(shí)別方法。

  第12章講述了單分子力譜在超分子材料研究領(lǐng)域應(yīng)用的新進(jìn)展。首先簡(jiǎn)要介紹了基于光鑷、磁鑷和原子力顯微鏡（AFM）的單分子力譜技術(shù)。接著分別闡述了AFM單分子力譜在孤立體分子系、超分子組裝體系中各種組裝推動(dòng)力研究中的應(yīng)用，以及基于單分子力譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)、制備具有不同力響應(yīng)性的結(jié)構(gòu)單元，繼而構(gòu)建具有新穎力學(xué)性能的超分子仿生材料、自修復(fù)材料、多重力學(xué)響應(yīng)材料等方面的進(jìn)展。同時(shí)，還簡(jiǎn)要介紹了近年來(lái)AFM單分子力譜技術(shù)在快速、高靈敏檢測(cè)等方面的進(jìn)展。

  本文摘編自沈家驄、張文科、孫俊奇 等著《超分子材料引論》一書(shū)。