纳米科学的利剑——分子自组装

分子的组装或自组装是创造新物质的重要手段和技术方法之一，自组装应看成是组装中的特殊情形。通过自组装，结构单元（可以是原子/分子，分子集团，纳米尺度聚集体、纳米材料等）借助分子间弱相互作用自发形成稳定的、具有特定结构和功能的、主要以非共价键结合的聚集体系。自组装虽然以化学过程为主，但又有物理过程或类似生物过程，与传统制备方法相比有明显区别，研究组装和自组装是一新兴的、具有重要意义的交叉学科方向。若干分子组装体的结构以及功能是用传统制备方法所无法获得的，分子组装技术在新物质创造及获得特定功能方面具有不可替代的作用。

几种由自组装过程得到的组装体。从左向右依次为DNA的双螺旋结构，磷脂膜囊泡，ZnO纳米材料，金单晶表面的紫罗兰分子组装结构

自组装现象广泛存在于自然界之中，存在于生命系统之中，如DNA的双螺旋结构，蛋白质的聚集与折叠，细胞或某些生命体等等，它们都被认为是分子自组装的结果。科学家们利用自组装技术制备各种自组装结构，其自组装的内涵和规律也被不断认识和发现。随着现代科学技术的进步，尤其随着信息、电子、生命、材料、纳米等研究领域的快速发展，自组装技术引起了人们的广泛关注和重视。当人们尝试用原子或分子或纳米尺度功能集合体作为基元来构筑器件（即“自下而上”－Bottom-up方法）时，发现依靠传统的加工技术（即“自上而下”－Top-down方法）是困难重重，甚至是无法实现的。此时，利用这些基元间的弱相互作用来自动“装配”，才有望得到具有特定功能的新的结构体或新的物质，才有可能满足人们在信息、生命、电子、材料和纳米等领域的应用需求，这里自组装的方法学意义和特定功能性都显得尤为重要。

理论计算优化的分子构象和FTBC-C4的单晶X射线衍射的晶体结构

纳米科技被认为是在纳米尺度上 (约在0.1-100 nm之间) 研究原子、分子和电子的运动规律和特点，并利用这些规律发展新材料、新工艺和新器件的多学科交叉的科学和技术。纳米科学技术的重要目标之一是利用以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学等特性制造出具有特定功能的产品和器件，其中纳米器件的研制水平和应用程度应是代表纳米科技发展水平的重要标志。而可控构筑纳米结构和纳米材料，实现对物质在纳米尺度上的加工，则是制备纳米器件的基础和前提。Bottom-up（自下而上）方法是纳米科学技术的重要技术和特点之一，也是人们利用单个原子或分子，在纳米尺度创造新的结构、新的物质和新的功能的方法之一。而自组装技术是“自下而上”方法中的重要技术手段。通过自组装人们期望可以得到用传统化学合成或加工方法得不到的结果。但是，自组装结构的获得与多种因素有关，例如溶剂、组装环境、外场作用、温度等对最终组装产物均有重要影响，且由于组装过程的复杂性，尚难以找到如化学反应方程式一样的普遍规律来控制自组装，一种材料因其组装条件的不同就会产生不同的组装结果，具有不同的形态和性质。因此，人们对自组装的规律仍在不断认识和探索之中，既有挑战，又有机会。不过值得指出的是，自组装方法虽然有效，有时威力强大，且前景诱人，也并非是万能的方法，不是创造新物质，新的复杂体系和实现特定功能的唯一方法，如欲得到某种特定结构和功能，常需自组装方法和其它化学合成等方法的结合，也不必将传统的化学合成硬套上“自组装”的标签。

经过多年努力，特别是近十余年的探索，科学工作者已经在组装和自组装研究领域积累了大量实际经验和实验结果，无论是固体表面组装，还是溶液等环境中的组装，无论是分子的表面图案化，还是纳米材料的制备等都取得了重要进展，在理论和实验两方面都取得了有意义的结果，不仅使物质世界更为丰富多彩，也确实为新物质新功能的创造提供了又一重要途径。

TMA分子结构模型(a), 通过氢键可以形成二聚体(b)和三聚体(c)

目前，分子自组装研究中的科学问题主要集中在组装体中组装单元的成键的本质和规律，成键强度，优先性，方向性，成键的条件和预测，包括分子间，分子内，分子与基底间的相互作用等。技术问题主要集中在可控组装，即组装的开始与中止，组装过程的控制等。还有组装体系的集成，组装体的功能，以及组装过程的原位检测监视技术等。具体内容例如，性质明确和结构可控的功能分子和组装单元的合成，以及合成中分子内相互作用和组装单元内相互作用的研究，这些研究将为组装提供组装单元或功能基元。组装过程中和组装体体系的表界面研究，自组装过程动力学和组装体系热力学稳定性的研究，组装体系中成键的本质和规律，如化学键还是非共价键，成键强度，优先性，方向性，成键的条件和预测，这些研究将有助于理解组装规律，实现图案化组装，定向组装，集成组装，多元多层次组装，以及某些特定结构如手性结构的组装和控制。组装体的理论研究也非常重要，通过理论模拟，可以预测组装体系的结构和功能。另外，利用已有的分析检测技术并发展新的分析检测技术，实现对组装体系的性质研究以及原位观测也是当务之急。

FTBC-C4 的组装模型和模拟的STM结果。（a）（b）单分子和周期性结构的几何优化模型。（c）（d）分别是（a）（b）的侧视图。（e）以up-down结构为模型模拟的 STM图像

归纳上述内容，目前在分子组装领域的前沿研究方向至少包括：

（1）组装规律和组装方法学的研究。从复杂多样的组装体系中获得具有特定结构的途径，借此从“必然王国”达到“自由王国”；

（2）对实现特定功能所需结构的认识，及结构与功能关系的研究；

（3）原位观察分析和检测组装过程、组装产物和组装体系功能的技术方法。

本期联合推荐万立骏著的《固体表面分子组装》。万立骏先生于2005年出版了《电化学扫描隧道显微术及其应用》（2011年再版）一书。多年来，致力于将电化学STM技术拓展到多领域的研究，技术上也发展成为化学环境下的STM技术，包括大气、水溶液、有机溶液、气氛可控等。利用该技术有选择的系统研究了多个系列的分子表面组装，现今结集出版的《固体表面分子组装》是对相关工作的归纳总结。

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