表面主客体复合自组装纳米结构的STM 研究

基于自组装的基本原理, 以“自下而上”的方式在表面构筑主客体复合纳米结构是纳 米科学与技术研究的重要内容之一, 并在单分子科学和纳米电子学等领域具有重要意义. 扫描隧道显微镜(STM)以其原位、实时、实空间和原子级分辨的优点, 在主客体复合体系 表面自组装的研究中发挥了不可替代的作用. 在表面组装中, 主客体分子之间有多种不同 的复合模式, 最常见的是客体分子填充于由主体分子构成的含有空腔的二维骨架结构, 空 腔的大小和对称性由主体分子的结构调节, 客体分子通过尺寸匹配等效应填充; 客体分子 能够沿着主体分子形成的单层结构外延生长, 在主体分子层上面形成第二层客体结构; 此 外, 主体分子形成的组装结构能够根据客体分子的尺寸和形状做出相应的改变来适应不同 的客体分子, 进一步丰富了主客体复合结构的内涵. 本文以主客体分子之间的复合方式为 主线介绍固体表面构筑主客体复合纳米结构的最新进展.     

磁性药物-无机纳米复合材料的结构设计与表征

以镁铁氧体为磁性粒子, 层状锌铝双金属氢氧化物为主体层板, 分别以卡托普利(Captopril: Cpl)和5-氨基水杨酸(5-aminosalicylic acid: 5-ASA)为客体药物分子, 采用共沉淀法组装得到超分子结构磁性卡托普利及5-氨基水杨酸插层锌铝双金属氢氧化物Cpl-LDHs/MgFe₂O₄和5-ASA-LDHs/MgFe₂O₄. 研究表明, 该超分子结构磁性复合材料具有良好的晶相结构, Cpl-LDHs及5-ASA-LDHs通过Zn-O-Mg和 Al-O-Mg键连接于MgFe₂O₄表面形成核壳结构, 且该药物-无机纳米复合材料具有明显的磁性能.     

山梨酸插层Zn-Al双金属氢氧化物的超分子结构及热分解行为

以锌铝双金属氢氧化物(Zn-Al layered double hydroxides, ZnAl-LDHs)为主体, 以食品防腐剂山梨酸(sorbic acid: SA)为客体, 通过共沉淀自组装法合成了超分子结构有机-无机复合物山梨酸插层LDHs. 运用综合分析方法, 包括常规的X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)和紫外-可见光谱(UV-Vis)测试及原位热重/差热/质谱(TG/DTA/MS)和原位高温X射线衍射(in situ HT-XRD)等表征技术, 详细探讨了该插层化合物的超分子结构及热分解行为.     

宏观构筑基元表面柔顺性的调控与组装

宏观超分子组装的研究对象是表面修饰有大量超分子识别基团的10μm以上的宏观构筑基元,以及它们之间基于超分子多重相互作用的碰撞、识别和组装的过程,它是超分子化学的新兴研究方向,为体相超分子材料的制备提供了新的思路.宏观构筑基元的表面柔顺性是决定构筑基元间能否通过多重相互作用,增强相互作用,实现组装的关键要素之一.本文从界面间相互作用出发,通过交替层状自组装方法,在刚性聚二甲基硅氧烷(PDMS)构筑基元表面分别构筑不同层数的聚电解质多层膜,以调控宏观构筑基元的表面柔顺性,并研究聚电解质多层膜层数对于宏观构筑基元组装行为的影响.通过研究在水中叠加组装的时间与聚电解质多层膜层数的关系,我们发现当构筑基元表面修饰的聚电解质多层膜层数较少时,经过长时间叠加也不能发生组装;随着构筑基元表面修饰的聚电解质多层膜层数的增加,可以在较短的时间内叠加实现组装.同时对构筑基元之间的相互作用力随时间的变化进行了原位测量,其力值与上述组装行为一致.本工作验证了"具有高柔性表面是宏观超分子组装的设计原则",说明通过调控构筑基元表面柔顺性可以调控其宏观组装行为.     

新型层状农药缓/控释材料—草甘膦插层双金属氢氧化物的超分子结构与缓释性能

以镁铝双金属氢氧化物(MgAl layered double hydroxide: MgAl-LDH)为主体, 以草甘膦(Glyphosate: GLY)为客体, 通过控制反应pH值, 由共沉淀法组装得到两种不同结构的GLY插层MgAl-LDH缓/控释材料. 考察了该缓/控释材料在Na₂CO₃溶液中的缓释性能, 其缓释历程为客体阴离子与介质中CO₃^2-的离子交换过程, 客体阴离子在插层化合物层间及晶粒间隙的扩散, 即粒内扩散过程为释放速率控制步. 低pH合成GLY插层产物较大的层间距、层间客体GLY阴离子单层垂直的定位方向及较高的堆积密度使其较高pH合成材料展示出更为显著的缓释能力, 其原因归结为超分子结构对释放速率控制步的影响. 该研究指出了层状双金属氢氧化物在农药缓/控释领域的应用潜力.     

水溶性铑膦配合物插层水滑石的制备及主、客体组成对其催化性能的影响

将水溶性铑膦配合物插层到层状材料水滑石层间, 用于烯烃氢甲酰化反应催化剂. 采用X射线衍射(XRD), 傅里叶交换红外(FT-IR)和等离子耦合原子发射光谱(ICP-AES)等手段对催化剂样品的晶相结构及组成进行了详细表征, 结果表明成功制备了RhCl-(CO)(TPPTS)₂(P(m-C₆H₄SO₃Na)₃, 简称TPPTS)和TPPTS共插层水滑石. 进一步研究了水滑石主体层板的组成及客体无机阴离子种类的改变对插层结构水滑石催化剂样品在烯烃氢甲酰化反应中的催化性能的影响.     

主体分子型非病毒基因载体的基础应用

设计并制备了一种新的具有分子探针功能的主体分子型非病毒载体-邻菲啰啉-b-环糊精衍生物主体分子(DZY-1), 应用凝胶电泳法研究探讨了DZY-1与DNA相互作用及客体分子对该主体分子诱导DNA凝聚的影响; 并进一步研究探讨了单一主体分子、主/客体分子配合物诱导DNA分子凝聚和聚合所形成的超分子聚合物抗限制性内切酶(HindⅢ)酶解的特性. 应用扫描电子显微镜(SEM)观测到该主体分子、主/客体分子配合物与DNA分子相互作用形成超分子聚合物的微观结构形态. 阐述了其作为非病毒基因载体可能的传递机制, 为设计、制备新的非病毒基因载体提供了一种新途径.     

氮杂穴醚配体及其金属配合物对小分子的识别及活化作用

分子识别定义为主体分子对客体分子的选择性结合过程. 有选择性地识别小分子一直是超分子化学中具有挑战性的研究课题. 氮杂穴醚配体及其金属配合物作为典型的主体分子得到了广泛的研究. 本文总结了氮杂穴醚配体及其金属配合物对各种小分子的识别作用, 介绍了新近报道的氮杂穴醚双核金属配合物在基于分子识别的基础上对小分子的活化作用, 展望了该领域的发展趋势.     

用多媒体诠释科学

照片类优秀奖作品:蓝色海洋 图片中展示的其实是分子自组装技术,图片中的波浪实际上是自组装到金片表面的单层分子形成的.自组装技术是科学家制造一定的环境,让分子在不受外力的作用下自行聚集组织成一种规则结构.     

正戊胺插层的层状钙钛矿氧化物

合成了一种新型正戊胺插层的层状钙钛矿型复合氧化物Ｃ５Ｈ１１ＮＨ３－Ｓｒ２Ｎｂ３Ｏ１０,并对其进行了Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）,Ｆｏｕｒｉｅｒ变换红外光谱（ＦＴ－ＩＲ）,Ｒａｍａｎ光谱及元素分析等一系列表征,结果表明正戊铵在层间采取双层排列,并有一定的重叠与倾斜,由于正戊胺的插层,钙钛矿氧化物层板的晶格发季了扭曲。在该样品上观察到了清晰的电滞回线,而且在经历１０＾１１次极化反转后,仍未观察到疲劳现象的出现     

超薄/超小水滑石的新进展

水滑石作为一大类阴离子插层材料,由于其独特的可调控特性,在光催化、电催化、生物传感、医药等众多领域应用广泛.随着纳米技术的发展,水滑石基多功能材料已经引起了学术界以及产业界的高度重视.调控水滑石形貌(如晶粒尺寸、层板厚度等)得到的超薄/超小水滑石层状材料显示了区别于块体材料的独特性能.本文从合成方法、表征手段、应用性能3个不同角度讨论了水滑石的晶粒尺寸和层板厚度的精准调控对其性能的影响,为后续设计高性能水滑石基催化材料提供思路.     

ZnO微米片修饰TiO_2纳米晶复合薄膜的染料敏化太阳电池

通过阴极电沉积工艺,成功地将随机辐射取向分布的ZnO微米片作为散射层自组装在TiO2纳米晶(TN)薄膜表面上.用分光光度计研究了400～800nm光谱范围内ZnO微米片的光散射性能.结果表明,在ZnO微米片-TiO2纳米晶(ZT)复合薄膜中,ZnO微米片层对入射光具有非常出色的光散射能力.同时用ZT复合薄膜制备的染料敏化电池相对于单独用TN薄膜制备的电池具有更高的短路电流密度和光电转换效率.     

烷氧基取代苯甲酸甲酯有序膜结构的STM研究

利用扫描隧道显微镜研究了3, 4, 5-三取代十二烷氧基苯甲酸甲酯(E12)和3, 4, 5-三取代十四烷氧基苯甲酸甲酯(E14)两种分子的自组装结构、组装层分子间相互作用以及两种分子共吸附在石墨表面时的组装结构. 两种分子均在石墨表面有序吸附, 分子在偶极-偶极相互作用下, 烷基链对插排列形成类二聚体的二维有序长程结构. 取代基数目的差异导致两种分子吸附结构不同. 两种分子混合在石墨表面吸附时, 各自形成不同的畴区, 呈相分离状态.     

ZnO微米片修饰TiO2纳米晶复合薄膜的染料敏化太阳电池

通过阴极电沉积工艺, 成功地将随机辐射取向分布的ZnO微米片作为散射层自组装在TiO₂纳米晶(TN)薄膜表面上. 用分光光度计研究了400～800 nm光谱范围内ZnO微米片的光散射性能. 结果表明, 在ZnO微米片-TiO2纳米晶( ZT)复合薄膜中, ZnO微米片层对入射光具有非常出色的光散射能力. 同时用ZT复合薄膜制备的染料敏化电池相对于单独用TN薄膜制备的电池具有更高的短路电流密度和光电转换效率.     

多功能复合的人工肾微芯片的制备及功能评估

采用微流道技术加工出高度平行的微流道阵列芯片,并结合细胞工程的方法,制备出同时具有肾小球过滤和肾小管生理功能的人工肾微芯片透析装置.将人肾近曲小管上皮细胞(HK-2)和人脐静脉血管内皮细胞(HUVEC)分别种植在透析膜材料上,并与微流道阵列芯片组装成多层生物芯片人工肾微透析装置;分别对组装的两层生物芯片微透析装置和六层生物芯片微透析装置进行了功能评估对比.结果表明,六层芯片微透析器具有很好的清除功能,其中种植了细胞的聚醚砜作为透析膜具有最好的滤过性能;种植了细胞的生物透析器具有很好的抗凝功能,能够达到无肝素透析;同时也证实构建的多层生物芯片人工肾微透析装置具有很好的重吸收、新陈代谢和内分泌功能,为未来发展便携式或可植入式多功能复合的人工肾透析系统打下了基础.     

空心玻璃微珠/ZnIn_2S_4纳米复合微球的制备及性能

以空心玻璃微珠为载体,通过水热法实现了六方相型ZnIn_2S_4在空心玻璃微珠表面的可控自组装,从而制备出空心玻璃微珠/ZnIn_2S_4核壳复合微球.采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis)、光电子能谱分析(XPS)技术对复合微球的表征,研究了微珠表面活化处理对表面包覆ZnIn_2S_4晶体结构、形貌、光学性质及催化性能的影响.结果表明,空心玻璃微珠分别通过硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)和双氧水活化预处理后,其表面负载ZnIn_2S_4更为均匀,呈层状纳米花瓣结构,并对有机污染物罗丹明B(RhB)有着良好的降解效果.     

过渡金属离子调节的氮杂15-冠-5苯乙炔三联吡啶Pt(Ⅱ)络合物的最低激发态

发展高选择性、高灵敏度的分子传感器是化学家们长期而艰巨的任务[1~4]. 主体分子受到外界刺激 (如与客体分子之间的相互作用)所产生的结构和性能的变化, 继而将外界刺激转变为分子信息表达出来, 从而实现对客体分子的识别. 以有机小分子为发色团的主体分子已得到了广泛研究[1,2], 但是利用金属有机络合物丰富的激发态性质选择性地识别客体分子, 特别是过渡金属离子的报道并不多. 虽然各种功能单元(如冠醚、杯芳烃等)都曾被引入金属有机络合物中, 但客体分子的进入能够显著改变溶液颜色的报道却寥寥无几[5~9]. 本文基于d8族多吡啶铂(Ⅱ)络合物特殊的分子构型和电子排布, 设计合成了以氮杂15-冠-5苯乙炔为辅助配体的三联吡啶铂(Ⅱ)络合物11)(图1), 研究了其对过渡金属离子的响应, 发现Cd2+, Zn2+, Hg2+和Pb2+离子的存在能够显著改变络合物1的吸收光谱, 溶液最大吸收波长由548 nm分别蓝移至423 nm (Cd2+), 416 nm (Zn2+), 420 nm (Hg2+), 439 nm (Pb2+), 颜色由紫色变为亮黄色. 实现了最低激发态由LLCT(配体→配体电荷分离)单重态向MLCT(金属→配体电荷分离)单重态的转化.     

过渡金属离子调节的氮杂15-冠-5苯乙炔三联吡啶

发展高选择性、高灵敏度的分子传感器是化学家们长期而艰巨的任务^[1-4]．主体分子受到外界刺激(如与客体分子之间的相互作用)所产生的结构和性能的变化，继而将外界刺激转变为分子信息表达出来，从而实现对客体分子的识别．以有机小分子为发色团的主体分子已得到了广泛研究^[1,2]，但是利用金     

4-戊氧基肉桂酸在HOPG表面的自组装及光诱导结构转变的STM研究

利用扫描隧道显微镜(STM) 研究了4-戊氧基肉桂酸(AOCA)分子在高定向裂解石墨(HOPG)表面的光诱导结构转变. 光反应前, 4-戊氧基肉桂酸(AOCA)分子间在氢键作用下, 在石墨表面形成稳定的有序自组装单分子层. 光反应后变为无序的结构, 这是由于二聚后的分子立体性较强, 原来形成的二维有序结构被破坏. STM揭示了自组装层变化的分子结构细节.     

用于高效电催化析氧反应的锰掺杂镍铁双金属氢氧化物催化剂

随着国内能源需求不断增加以及温室气体排放持续增长,寻求高效、清洁、可持续的能源成为目前亟待解决的问题.廉价、高效和稳定的氧析出反应(oxygen evolution reaction, OER)催化剂在电解水制氢领域具有广泛的应用前景.镍铁层状双金属氢氧化物(NiFe-layered double hydroxides, NiFe-LDHs)被认为是一种潜在、理想的析氧反应电催化剂.然而,对于NiFe-LDHs层板,普遍认为其边缘金属位点相较于内部金属位点具有更高的催化活性,这就导致其层板内部的金属位点无法充分利用,降低对OER反应的催化效率.因此,为了充分提升NiFe-LDHs的层板利用率,本研究将具有变价特征的锰离子引入NiFe-LDHs层板(Mn doped NiFe-layered double hydroxides, Mn-NiFeLDHs)中,利用锰离子的变价特征,充分提升层板载流子迁移率,促进层板内电子转移,同时,由于锰离子的电负性特征,部分电子将从镍位点附近转移到锰位点的周围,导致镍位点表现出缺电子特征,从而作为“电子饥饿”位点,提升层板整体对于具有富电子含氧官能团的捕...