分子自组装技术的研究进展

2023-03-01

自组装[1]指的是基本结构单元自发的形成有序结构的过程[2]。在该过程中, 基本结构单元在非价键力作用下自发组织为具有一定规则几何外观的稳定结构。目前分子自组装在非线性光学器件、化学生物传感器[3]等方面都有广泛的应用。本文主要介绍其原理及应用, 并展望其发展前景。

1 原理

自组装是分子在热力学平衡条件下通过分子间弱的价键力自发形成稳定聚集体的过程。这里“弱的价键力”是指氢键、范德华力、静电力等作用力。分子自组装技术主要有化学法和物理法。

1.1 化学法

化学法是将附有某物质的基片浸入到待组装分子形成的溶液中, 该过程中待组装分子一端的反应基团与基片表面发生化学反应, 形成化学键连接的二维有序单层膜。Cheng等用化学法从下往上合成嵌段共聚物。Sun等则在两相界面上通过此法得到自组装膜。

1.2 物理法

物理法是在带负电的阴离子聚电解质溶液中浸入带正电的基片, 由于正负电荷的相互吸引, 带负电的阴离子聚电解质吸附在基片表面使其带负电, 而后再在带正电的阳离子聚电解质溶液中浸入先前的表面带负电的基片, 如此重复则得到了多层聚电解质自组装膜。Cordas等实现了在金电极上自组装三价卟啉铁二硫化物衍生物的膜。Kalsin等则通过物理法将带异种电荷的两种纳米金属颗粒制成了砖石晶体。

2 分子自组装的应用

近年来分子自组装技术因其特殊的改性能力受到越来越广泛的研究。下面从三方面综述其目前应用。

2.1 在纳米材料方面的应用

自组装技术在纳米材料方面的应用主要集中制备纳米微粒、纳米管以及介孔材料[4,5,6], 该法可以有效调控所形成的材料。Petkov等利用旋涂法在预处理好的含铁硅/聚乙烯氧化物-聚乙烯氧化物/乙醇溶液体系中成功制备了纳米介孔材料。Sun等综述了分子自组装技术在Fe Pt纳米颗粒上的应用。

2.2 在生物方面的应用

生物分子自组装膜目前广泛用于生物传感器、分子器件等领域。Wu[6]用自组装技术制备出测量电流的葡萄糖生物传感器。Lai等用胆固醇标记DNA探针在液晶/水相界面处检测DNA。牛玲梅等将青霉胺自组装膜涂覆金电极上, 并研究其化学特性, 结果表明所得到的电极选择性高, 稳定性好, 适于实际应用。Wu等用自组装技术制备出了测量电流的生物传感器, 该生物传感器是由多层碳金纳米颗粒、多层碳纳米管和葡萄糖氧化酶组成的薄膜。

2.3 在膜方面的应用

目前分子自组装研究最多的领域即为单分子自组装膜, 并且已得到了广泛的应用。乔丽英等将Mg与Mg Ca的合金进行单分子热自组装膜表面改性, 将其浸泡在SBF后改善了材料的生物活性。吕凤珍等将肉桂酰氯与聚乙烯醇薄膜表面致密的羟基进行选择性酯化反应后, 在聚乙烯醇薄膜表面连接上了光敏性基团, 制备出的自组装单层膜具有良好的光敏性。在偏光显微镜下观察该薄膜可发现获得了均一、稳定的取向效果。这种方法制得的光控取向膜具有良好的热稳定性, 而且制作过程简单。

2.4 两亲性聚合物自组装的应用

两亲性聚合物由于同时具有亲水链端和疏水链段, 因而在生物医药、纳米技术等领域有广泛的用途。Jin等制备出了具有良好p H敏感性和生物降解性的新型两亲嵌段共聚物PEG-PEt G-PEG。Tang等通过活性聚合方法制备出的两亲性氟化嵌段聚合物能作为很好地防污涂料用于船体。

总体来说, 分子自组装的研究工作比以前深入得多, 应用则朝着实用方面发展。作为化学、物理和材料科学的交叉学科, 它将在光电材料、人体组织材料等领域中发挥出应有的作用。

3 前景与展望

自组装技术目前已在基础研究和应用研究领域取得了突破性的进展和重要成就。多种多功能性的纳米粒子及高分子可自组装成为具有极高应用价值的多层结构。厚度接近于零的单分子自组装膜在机械、电子、化学和热力学性能的表面和界面改性方面有很好的应用。总的来说, 人们对自组装的研究要比以前更加深入。同时也在不断深入研究其应用价值。作为物理、化学、材料科学和生命科学的交叉学科, 分子自组装将在人体组织材料、光电材料以及纳米材料中发挥更加重要的作用。但自组装技术的研究还不成熟, 目前应找寻各种高度有序自组装体系的应用, 加深对其理论的认识, 同时开发和利用现代分析工具, 促进其发展, 力争在基础理论和实际应用方面取得重大的突破。

摘要：在分子器件、纳米材料及生物工程领域, 分子自组装已作为一种技术得到了广泛的应用。未来的几十年的发展中, 其将作为一种技术手段在新的未知领域中产生更加深远的影响。本文主要介绍该技术的原理及应用, 并展望其发展前景。

关键词：分子自组装,原理及应用,发展前景