超分子組裝是自下而上創(chuàng)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(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構形態(tài)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(yōu)異性能。
在分子化學研究中，人們在不斷深化對經典化學鍵認識的同時，也更多地認識到了分子間相互作用的重要性。到了20世紀70年代，法國的J. M. Lehn教授提出超分子化學的概念，并因此在1987年與其他兩位美國學者一起榮獲諾貝爾化學獎，將超分子化學、分子識別和主客體化學推向科學發(fā)展的前沿，從此開啟了人類利用超分子化學認識世界的新層面。到了今天，超分子相互作用不僅被各個領域的科學家廣泛接受，而且被用于獲得大量用傳統(tǒng)方法難以獲得的新材料。吉林大學的研究集體在國際合作中，在德國科學院院士H.Ringsdorf教授（德國Mainz大學）和法國科學院院士J. M. Lehn教授（法國Strasbourg大學）等的引領下，于20世紀80年代末進入超分子化學研究領域。為了推動超分子研究在國內的開展，吉林大學沈家驄教授和張希教授與兩位國際先驅者于90年代共同組織了包括“超分子體系香山科學會議”在內的一系列超分子化學方面的國際會議，以超分子體系（supramolecular system）為中心課題，不僅提高了對超分子發(fā)展的認識，也在國內培養(yǎng)了一批研究骨干，有效地推動了國內相關研究的快速發(fā)展。
吉林大學的超分子體系研究以層層組裝復合膜與納米微粒為起點，以能源材料（發(fā)光）為重點，聚焦在超分子結構構筑與功能導向的超分子材料，并以發(fā)現(xiàn)新結構作基礎、功能擴展和材料導向為目標。研究集體依托“超分子結構與材料教育部重點實驗室”開展工作，并于2010年正式升格為國家重點實驗室。
實驗室圍繞超分子材料的核心目標，從基礎做起，開展系統(tǒng)研究。目前已經發(fā)展和建立了若干個超分子材料體系，如超分子光電材料體系、以金屬-離子簇為基元的無機-有機雜化體系、微粒復合材料體系、精準組裝動態(tài)材料體系，以及蛋白質組裝體系等，這些都將在本書逐章加以介紹。這些體系為材料研發(fā)打下了堅實的基礎。在實驗方法方面，發(fā)展了可以用于超分子材料表征的半導體拉曼增強光譜和單分子力學譜。
超分子材料集成了分子自身的結構信息和功能信息，亦利用分子間相互作用實現(xiàn)了對分子組裝體的動態(tài)控制和功能協(xié)同，既有宏觀表現(xiàn)，又可以將結構控制在微納尺度，是未來高性能材料的突破口與新起點。實驗室經過十幾年的潛心研究積累，形成了對超分子材料作為很有潛力的新型材料的多方面認識，其特點可以概括如下：
（1）分子間弱相互作用力（簡稱超分子力），具有加和性與協(xié)同性，加和起來的超分子力很強，可使材料形成穩(wěn)定的拓撲結構；強作用可在外場作用下化解為弱作用；超分子力還具有高刺激響應性和很強的環(huán)境依賴性。
（2）超分子力通過組裝與自組裝過程形成超分子結構，超分子的組裝過程是結構基元通過超分子力結合的過程，或是動態(tài)的分子識別的過程。該過程具有動態(tài)平衡性質，使超分子結構具有多元結構的特征，形成具有不同結構、不同狀態(tài)、不同組成的特殊組裝體。組裝過程主要包括：組裝與解組裝、界面組裝、具有耗散結構的非平衡態(tài)組裝過程等，不同的組裝過程可以產生不同的超分子結構及相關的結構細節(jié)。
（3）超分子結構與分子結構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構與功能的結合體，可以把不同功能的結構結合在一起，如有機與無機、剛性與柔性、親水與親油的結合等，將多種性能迥異或相反的結構聯(lián)系在一起，或稱之為對立的統(tǒng)一與轉化；動態(tài)與靜態(tài)的結合，使納米環(huán)、螺旋纖維、納米管及二維材料之間存在動態(tài)轉化與動態(tài)平衡，使蛋白質等天然和合成材料體系中的超分子結構還具有自修復、自適應等高精度結構調節(jié)的特征。
（4）超分子結構基于超分子力的環(huán)境（外場）依賴性，賦予結構高響應性，包括不同時間尺度的響應性，有可能形成超分子芯片、多重響應體系，這就要求發(fā)展提高超分子力及超分子結構測試靈敏度的方法，如半導體拉曼增強光譜、單分子力學譜、氫鍵的超分子譜學等。
（5）超分子材料是由超分子力與超分子結構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、可改變孔徑帶開關的納米管、自修復材料體、分子馬達、納米機器等，有很大的創(chuàng)新空間。
（6）超分子體系是個復雜的體系，它包括基元的分子結構、超分子結構、多元組分與多種結構等。超分子體系的研究方法要從單純依靠有限數(shù)據(jù)的實驗結果，逐步向以大數(shù)據(jù)為基礎的實驗結果及理論模擬與理論計算三者結合的研究方法轉變。
《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。
第1章介紹了針對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構建多尺度模擬模型的必要理論基礎，并針對基于模擬體系結構和熱力學性質的粗?；桨高M行了分析和描述，最后結合當前多尺度模擬方法的發(fā)展趨勢，對構建超分子體系的粗粒化方案進行了歸納、總結和展望。
第2章主要論述了分子間弱相互作用在有機發(fā)光材料的聚集態(tài)結構及光電性能調控方面扮演的重要角色。通過一些典型模型體系揭示了分子構型結構、堆積結構及分子間距離等對有機材料發(fā)光性能的影響機制；論述了從分子結構及超分子結構兩個層次優(yōu)化，基于化學結構簡單的有機分子制備高性能有機光電材料的新途徑；展示了通過構建各向同性“動態(tài)”超分子弱相互作用力，發(fā)展具有光電應用潛力的柔性有機發(fā)光單晶的制備方法。
第3章主要圍繞有機電致發(fā)光過程中自旋統(tǒng)計的關鍵科學問題，詳細介紹了幾種突破自旋統(tǒng)計限制的激發(fā)態(tài)設計新概念，包括中性自由基雙線態(tài)、雜化局域-電荷轉移態(tài)和雙（超）分子激發(fā)態(tài)等。有機電致發(fā)光作為新一代顯示技術，其核心技術是發(fā)光材料，因此發(fā)展自主知識產權的材料體系尤為重要。激發(fā)態(tài)性質決定發(fā)光性能，是發(fā)光材料的創(chuàng)新源頭。從激發(fā)態(tài)的設計與調控入手，系統(tǒng)描述激發(fā)態(tài)的結構設計原理、分子與超分子調控方法、性質表征與器件應用，旨在通過激發(fā)態(tài)的本質調控來突破電致發(fā)光過程中的自旋統(tǒng)計限制，促進三線態(tài)能量的利用、轉化和規(guī)避，實現(xiàn)新一代、低成本、高效率有機（超）分子發(fā)光材料及器件應用。
第4章以自組裝誘導增強金屬納米團簇熒光為切入點，介紹了金屬簇自組裝過程的調控、組裝對金屬簇發(fā)光的增強、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筑。著重描述了自組裝策略對銅納米簇熒光強度、發(fā)射波長、光穩(wěn)定性等的重要貢獻。
第5章重點講述了光功能納米晶與聚合物復合超分子材料，其中光功能納米基元主要包含半導體納米晶和碳基納米點。超分子作用力對聚合物納米復合材料的制備、加工以及最終性質起重要調控作用。這些納米晶聚合物超分子復合材料在發(fā)光、光電器件及高折射光學材料上都有著重要應用。
第6章介紹了離子簇超分子復合物在不同化學環(huán)境下的界面和溶液組裝行為，闡釋了組裝體的結構特點及組裝機理。通過組裝結構的動態(tài)調控，離子簇超分子復合物在催化反應的微反應器、多功能液晶、生物成像及光熱治療，以及有機太陽能器件和納米分離膜等方面都展現(xiàn)了新的應用潛力。
第7章詳細介紹了各類蛋白質組裝的新策略，闡明了其組裝驅動力，總結了制備多維、多層次蛋白質組裝體的設計原理與構筑方法，并探討了其微觀組裝機理和調控機制。依據(jù)蛋白質的組裝結構特點，以模擬生物學功能為導向，列舉了其在生物傳感材料、生物催化材料、生物醫(yī)學診斷和治療材料等多個領域的應用。
第8章主要講述剛－柔嵌段分子在水溶液中動態(tài)自組裝的研究進展。首先介紹了具有機械運動的管狀組裝體和二維片狀結構，如何通過動態(tài)的機械運動使自組裝納米結構實現(xiàn)許多復雜的功能，例如酶促作用、對映體篩分等。然后介紹通過對自組裝策略的擴展來構筑生物相容性的超分子納米結構，包括多肽納米結構、糖類自組裝體，以及這些自組裝體的生物學意義。
第9章論述了具有自修復性能的超分子材料的研究進展。自修復材料是能夠自發(fā)或在一定刺激下可以修復其機械損傷的材料，可顯著提高材料的安全性、穩(wěn)定性并延長材料的服役壽命。本章系統(tǒng)地介紹了基于超分子相互作用力及動態(tài)共價鍵的自修復超分子材料的設計理念、研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向。具體介紹了具有自修復性能的超疏水/超疏油涂層、保護涂層、可穿戴電子器件、高強度體相材料及水凝膠等材料的研究進展，展示了自修復材料巨大的應用前景。
第10章主要介紹了基于非共價相互作用構筑的具有特種功能特性的新型超分子材料。重點圍繞基于超分子聚合物的仿生膠黏劑體系的構建，利用非共價作用設計的針對病毒顆粒的高效抑制劑，利用協(xié)同分子間作用力構筑的超分子螺旋孔材料和仿生離子通道及具有動態(tài)響應性的智能超分子凝膠材料。這些研究實例從不同側面展現(xiàn)了超分子組裝體在材料及生物等交叉領域的獨特魅力和巨大的應用潛力。我們期望隨著多學科的深入交叉與融合，進一步拓展超分子材料的功能與應用。
第11章主要涉及表面增強拉曼散射（SERS）活性材料與超分子表征。重點歸納了半導體SERS活性材料的發(fā)展、種類及其增強特性。從表面等離激元共振和米氏共振兩個方面探討了半導體材料的物理增強機理，并依據(jù)電荷轉移共振和激子共振理論詳細討論了半導體材料的化學增強機理，進而總結了半導體SERS的選擇定則。應用研究部分重點概括了化學增強理論用于解釋分子間氫鍵對吸附分子的電子結構及體系電荷轉移的影響，并介紹了基于SERS 的非標記手性對映體識別方法。
第12章講述了單分子力譜在超分子材料研究領域應用的新進展。首先簡要介紹了基于光鑷、磁鑷和原子力顯微鏡（AFM）的單分子力譜技術。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力研究中的應用，以及基于單分子力譜實驗結果設計、制備具有不同力響應性的結構單元，繼而構建具有新穎力學性能的超分子仿生材料、自修復材料、多重力學響應材料等方面的進展。同時，還簡要介紹了近年來AFM單分子力譜技術在快速、高靈敏檢測等方面的進展。
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。標題為編者所加。
作者簡介
沈家驄
吉林大學教授，博士生導師，中國科學院院士。1952年畢業(yè)于浙江大學化學系。曾在美國作為客座教授訪問講學1年。長期從事超分子組裝與功能，聚合反應微觀動力學，光電信息材料，人工模擬酶等方面的研究，取得了重要的創(chuàng)新性成果。于1989，2005，2009，2010年先后四次獲國家自然科學二等獎。曾任吉林大學化學系主任、研究生院副院長、副校長，國家教委科技委委員兼任化學部主任，中國科學院化學學部常委，國家自然科學基金委高分子學科評審組成員、組長，純粹與應用化學協(xié)會（IUPAC）聚合過程與聚合動力學模型化工組（Working Party）成員，曾任《高等學?；瘜W學報》編委、副主編，《高分子學報》編委，《高分子材料科學與工程》編委等。
張文科
吉林大學教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者，入選中組部“萬人計劃”領軍人才、科技部“創(chuàng)新人才推進計劃”中青年科技創(chuàng)新領軍人才。2002年于吉林大學獲得博士學位，2003年至2007年在英國諾丁漢大學從事博士后研究，2007年6月回到吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室工作，被聘為教授。長期從事聚合物單分子力譜研究，近年來在超分子組裝體的分子間相互作用及組裝推動力方面取得一系列重要的創(chuàng)新性成果，發(fā)表在Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.等重要國際期刊上，并受到國際同行的廣泛關注與積極評價。主持國家重大科研儀器研制項目（自由申請）及基金委面上等項目。擔任中國化學會高分子學科委員會、生物物理化學專業(yè)委員會、超分子化學專業(yè)委員會委員。AIMS Biophysics及Langmuir雜志編委。
孫俊奇
吉林大學教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者，中國化學會青年化學獎獲得者，入選中組部“萬人計劃”領軍人才、科技部“創(chuàng)新人才推進計劃”中青年科技創(chuàng)新領軍人才。2001年于吉林大學獲得博士學位，其后在日本理化學研究所(RIKEN)從事博士后研究。2003年回到吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室工作，被聘為教授。致力于自修復/可循環(huán)利用聚合物材料、聚合物復合膜的構筑及動態(tài)功能的研究，發(fā)展了基于聚合物復合物的多級次、多組分的層層組裝膜的構筑方法，實現(xiàn)了聚合物材料的修復及循環(huán)利用、智能響應等功能。研究成果被Chemistry World、Nature China、Noteworthy Chemistry和國家自然科學基金委等媒體及機構給予報道。擔任中國化學會高分子學科委員會、超分子化學專業(yè)委員會委員。2013-2015年任Langmuir雜志編委?，F(xiàn)在擔任《高分子學報》、《物理化學學報》和《科學通報》編委。
內容簡介
超分子組裝是自下而上創(chuàng)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(tài)、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(tài)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(yōu)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。本書適合材料、物理、化學、生物等相關領域的大學生、研究生及研究人員作為教學參考和研究使用。
《超分子材料引論》
沈家驄 等 著
ISBN 9787030605245
責任編輯：周巧龍
