基于组装方式构建的功能纳米材料和化学体系

基于组装方式构建的功能纳米材料和化学体系,李广涛清华大学化学系,自组装：新一代的“精确”合成方法,自组装是指组装基元通过弱相互作用自发地形成有序结构的过程，是创造新物质和产生新功能的重要有段。,构筑基元：无机，有机，高分子，生物大分子，分子，离子，粒子弱相互作用：范德华作用力，氢键，疏水效应，-作用力，配位作用,自然界中的自组装现象,离子通道,DNA,细胞,细胞膜,蛋白质,龙虾外壳的多层次组装,AdvancedMaterials2009,21,391,揭示自组装过程的本质和规律，发展可控的自组装体系，以建立调控生命过程的方法和技术、创造功能集成的新材料和信息处理系统，是人类认识和改造自然、提高生存质量所面临的重大科学技术挑战。,自组装：二十一世纪亟待解决的25个重大科学问题之一,Science2005,309,95,自组装的重要性等同于合成,1、多级自组装新方法2、自组装的过程及其调控3、解组装方法与过程4、自组装的缺陷5、动态自组装（与外界有物质和能量交换）,自组装是从分子及以上层次构建新物质的必经之路、新功能的设计和调控的有效手段，以及多学科汇聚的高地、发现新效应的基础。现代生命、材料、信息等科学技术的发展对自组装研究提出了重大需求。,例一：不同尺度笼状化学化合物的高效制备,Science2010,328,1144,例二：分子机器的有效构建,Science2004,303,1845,例三：利用DNA的组装实现金属颗粒的组装排列,Science2009,323,112,Science2009,323,1030,例四：利用嵌段共聚物的组装实现每平方英寸10-Terabit阵列的构建,Science2009,325,159,例五：利用组装技术有效构建特异性材料或超材料(Metamaterials),例六：自组装技术生产下一代芯片,NatureNanotechnology2007,2,342,自组装研究呈现下列主要发展态势,从多种功能组装基元出发，创造新型的自组装体系仍将是自组装研究的主要内容。实现对自组装过程的调控是当前自组装研究的难点，也是自组装发展的突破点。构筑自组装体系并赋予其各种功能是自组装研究面向实际应用的必然要求。实现高度可控的、功能集成的组装系统是分子自组装研究的最大挑战。发展理论与表征分析技术，揭示自组装的本质和规律是分子自组装研究的迫切需求。,新的组装基元是创造新型功能自组装体系的关键和自组装研究的主要内容,1987化学奖,J.M.Lehn,C.J.Pedersen,D.J.Cram,从自组装研究的历史可以看出，每一种新的、功能独特的组装基元的出现和使用都推动着自组装研究迈上一个新台阶。也正是基于这些组装基元和组装体系的研究，才导致分子识别、协同效应等概念的提出、自组装研究范畴的丰富以及研究方法和手段的逐步建立。,自组装过程的调控是自组装发展的突破点,利用X-射线可启动由短肽形成的超分子细丝的自发组装过程,Science2010,327,555,生物酶控制的超分子自组装,NatureChemistry2010,2,1089NatureNanotechnology2009,4,19,功能化是自组装研究面向实际应用的必然要求,太阳能光反应器的组装,Science2006,314,1762,具有自修复功能的基于氢键组装的超分子聚合物,Nature2008,451,977,实现高度可控的、功能集成的组装系统是自组装研究的理想目标,采用自下而上创建“活体积木”（livinglegos）的方法，将不同形状的构造模块、生物兼容性胶体和细胞镶嵌在一起，自组装成人体组织的复杂结构，向构建人体复杂结构方面迈进。,ArtificialCell:2010年ScientificAmerican选出的十大科学进展之一,发展理论与表征分析技术是分子自组装研究的迫切需求,当前无论是化学自组装体系的研究，还是生物演化过程的探索，都面临着同一个瓶颈问题，即如何理解和应用自组装的本质和规律。各种弱相互作用力在自组装过程中扮演何种角色，如何协同作用，谁主要决定着组装的方向和途径，产生动态自组装的根本原因是什么，如何才能从组装基元出发准确预测组装体的结构等等，这些问题依然没有得到彻底地解决。,Science2008,321,798,Self-AssembledFunctionalMaterialsandChemicalSystems,Self-assemblyinsolutionoratinterface,Mesoporousstructure,Photonicandplasmonicstructure,Microfluidictechnique,Electrospinningtechnique,ResearchInterests,AtDifferentLengthScales,1.ConstructionofConductingPolymerbasedNanocables,Angew.Chem.Int.Ed.42,3818(2003)HighlightedbyAngew.Chem,Langmuir25,8235(2009),2.FabricationofCarbonNanowireswithDiameterbelow1nm,3.AStrategyforProducingPureSingle-LayerGrapheneSheetsBasedonaConfinedSelf-AssemblyApproach,Angew.Chem.Int.Ed.48,5864(2009)(Hotpaper)HightlightedbyChemicalandEngineeringNews(ACS),NatureChina,andAsiaMaterials,CharacterizationwithXRDandSEM,CharacterizationTEM,EDS,AFMandRaman,34,4.FacileFabricationofStimuli-responsivePolymerCapsuleswithGatedPoresandTunableShellThicknessandComposites,Angew.Chem.Int.Ed.50,4947(2011),35,PolymerCapsuleSystemswithIntegratedMultifunctions,5.FacileSynthesisofDopedHollowCarbonSpheres,Unpublishedresults,Molecularimprinting,+,Photoniccrystalstructure,Label-freeColorimetricdetectionRapidresponseHighsensitivityHighselectivity,6.ChemcalandBiologicalSensorsBasedonPhotonicCrystals,Angew.Chem.Int.Ed.45,8145(2006)HighlightedbyAngewandteChemie,ColorChangeforL-dopamineRecognition,DetectionRange:10mM-10nM,Chiralrecognitionbasedonmolecularlyimprintedphotonicpolymer,Adv.Mater.19,4327(2007)；Adv.Funct.Mater.18,575(2008)；Chem.Eur.J.14,11358(2008)；J.Mater.Chem.18,5452(2008)；Adv.Mater.20,4074(2008)；Chem.Commun.46,967(2010)；Chem.Commun.46,4103(2010);Small(2012);Small(2012),7.AFacileMethodforDetectionofAnionsBasedontheCombinationofPhotonicCrystalandIonicLiquids,Adv.Mater.20,4074(2008),FacileMethodforDetectionofAnions,Adv.Mater.20,4074(2008),8.MolecularlyImprintedPhotonicPolymerasIdealSensingElementsforCreationofCross-ReactiveSensorArray,Chem.Eur.J.(2014),Chem.Commun.(2014),9.Metal-OrganicFrameworkswith3D-OrdereMacroporousStructure:NovelDynamicPhotonicMaterials,Angew.Chem.Int.Ed.50,DOI:10.1002/anie.201104597(2011),56,PhotocurrentDensity:,10.Double-Inverse-OpalasMirrorsforEfficientEnhancementofDye-SensitizedSolarCells,JournalofPhysicsChemistryC(2010),57,48%,80%,光子晶体能带结构的比较,双反蛋白石结构,常规反蛋白石结构,约100nm,60nm,58,电池效率等高线分布图,在双层的DIO结构中，第一和第二层的晶格常数可以分别在115160nm和6095nm范围内变化，而都可以使光电流效率提高80%以上。,59,60,11.CouplingofNanoparticlePlasmonswithPhotonicCrystalsasaNewStrategytoEfficientlyEnhanceFluorescence,JournalofPhysicsChemistryC(2011),第一项：激发增强的模拟,62,第二项：辐射能量增强的模拟,63,12.CBasaSERSHot-SpotNanocontainerthroughBridgingGoldParticles,65,Chem.Commun.(2008);Chem.Commun.(2012),66,Raman光谱,实现了“惰性”分子Fc的SERS,3108,1.7109,“热点”增强因子：,67,电磁场分布的模拟,“热点”处的电场强度远远大于其他各处的电场强度,68,拉曼“眨眼”效应,785nm激发,功率0.9mW，积分时间1s,积分1次，隔1s采一条谱线，共采集60条,69,Microfluidics,Amultidisciplinarysubjectinvolvingphysics,chemistry,biology,andengineering.,SingleEmulsionDroplet,DoubleEmulsionDroplet,13.PIL-BasedInverseOpalSpheresasColloidalMoleculeswithTunableOpticalPropertyandMolecularRecognition,Angew.Chem.(2014)DOI:10.1002/ange.201308959,PIL-BasedInverseOpalSpheres:PhotonicSupracolloidals,ResponseofPILPhotonicBallstoAnions,ResponseofPILPhotonicBallstoOrganicSolvents,PhotonicCross-ReactiveArraysforSensitiveDiscriminationofAnionsandOrganicSolvents,PILPB-C4,PILPB-C6,PILPB-C8,100%correctclassification,DiverseFunctionalProductsDerivedfromOriginalPILPhotonicSpheres,PhotonicSphereswithDifferentPatchyStructures,15.PhotonicNanostructuredMetal-OrganicFrameworkSpheres:InterestingOpticalMaterials,Nanoscale(2014),15.Onion-likePhotonicSpheres:ANovelPhotonicStructure,Unpublished,16.CB8-BasedRotaxaneasaUsefulPlatformforSensitiveDetectionandDiscriminationofExplosives,ChemicalScience(2013),17.RapidandEfficientWaytoDynamicCreationofCross-ReactiveSensorArraysBasedonIonicLiquids.,90,Chem.Eur.J.19,11603(2013),91,92,93,阵列构建阴离子可交换性,激发光谱,发射光