超分子组装是自下而上创造新物质和产生新功能的重要手段。利用该方法可以构筑多级组装结构，获得动态、多功能及高性能的超分子材料。超分子材料中对外场作用非常灵敏的分子间弱相互作用力为组装体的结构形态与功能调控提供了可能，从而赋予材料以刺激响应性以及自修复等优异性能。本书将以此为背景，着重论述沈家骢院士及其所在的超分子结构与材料国家重点实验室近年来在基于超分子理念的高性能光电材料、金属簇及其组装材料、生物超分子组装材料、超分子自修复材料以及超分子材料多尺度模拟和表征方法等领域所取得的主要进展。
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目 录
前 言
第1章 超分子自组装材料的多尺度模拟研究方法 1
1.1 引言 1
1.2 模拟方法简介 4
1.2.1 基于粒子描述的模拟方法 4
1.2.2 基于场描述的理论方法 7
1.3 构建多尺度模拟体系的粗粒化方案 8
1.3.1 概述 8
1.3.2 基于模拟体系结构性质的粗粒化方案 10
1.3.3 基于模拟体系热力学性质的粗粒化方案 17
1.3.4 基于模拟体系能量/力匹配方法的粗粒化方案 20
1.3.5 基于分子动力学的杂化模拟方案 23
1.4 总结与展望 25
参考文献 26
第2章 超分子光电材料及器件 31
2.1 有机发光材料的聚集态结构 31
2.1.1 H-聚集 31
2.1.2 J-聚集 31
2.1.3 交叉聚集 36
2.1.4 其他聚集方式 38
2.2 超分子发光晶体结构与性能关系 39
2.2.1 分子构型与发光性能 40
2.2.2 分子构象与发光性能 41
2.2.3 分子排列与发光性能 42
2.2.4 超分子作用距离与发光性能 46
2.3 单苯环发光材料 47
2.3.1 单苯环发光材料的结构特征 47
2.3.2 单苯环发光颜色调控 51
2.3.3 单苯环发光材料应用 55
2.4 柔性有机超分子发光单晶 57
2.4.1 塑性有机晶体材料 57
2.4.2 弹性有机晶体材料 61
2.4.3 弹性发光晶体材料 63
2.5 总结与展望 68
参考文献 68
第3章 有机电致发光激发态新概念：由单分子到超分子 72
3.1 研究背景与关键问题 72
3.1.1 有机电致发光过程中自旋统计问题 72
3.1.2 金属配合物磷光材料突破自旋统计 73
3.1.3 共轭聚合物材料突破自旋统计 74
3.1.4 延迟荧光材料突破自旋统计 75
3.2 中性自由基发光的双线态 76
3.2.1 有机自由基分子简介 77
3.2.2 一些常见的稳定中性自由基分子分类 78
3.2.3 双线态发光自由基材料与器件 79
3.3 杂化局域-电荷转移激发态 83
3.3.1 杂化局域-电荷转移激发态的提出 83
3.3.2 杂化局域-电荷转移激发态的形成 85
3.3.3 杂化局域-电荷转移激发态的特征 86
3.3.4 杂化局域-电荷转移激发态的分子设计与结构调控 93
3.3.5 杂化局域-电荷转移激发态材料、器件与应用 96
3.4 有机π-π作用双(超)分子激发态 99
3.4.1 激基缔合物的定义和特征 100
3.4.2 高效率和长寿命的π-π作用双分子发光 101
3.4.3 高效率π-π作用双分子发光的实验验证 106
3.4.4 离散π-π二聚体堆积的分子设计与超分子构筑 107
3.4.5 双分子与超分子发光材料及应用 110
3.5 总结与展望 113
参考文献 113
第4章 金属簇组装材料 119
4.1 背景介绍 119
4.1.1 金属纳米簇的概念与特点 119
4.1.2 金属纳米簇的主要性质及应用 120
4.1.3 金属纳米簇的聚集诱导发光现象 123
4.2 金属纳米簇组装材料的形貌调控 124
4.2.1 金纳米簇片状组装材料 124
4.2.2 金纳米簇组装材料的结构调控与组装动力学 127
4.2.3 铜纳米簇组装材料 131
4.2.4 金属纳米簇组装材料的衍生物 133
4.3 自组装诱导增强金属纳米簇发光 135
4.3.1 基于铜纳米簇的自组装诱导增强发光材料 135
4.3.2 铜纳米簇自组装材料的发光中心 137
4.4 全光谱发射的铜纳米簇自组装材料 141
4.4.1 缺陷调节的自组装诱导发光 141
4.4.2 金属掺杂调控自组装材料发光 144
4.4.3 配体调控自组装材料发光 148
4.4.4 卤原子调控自组装材料发光 151
4.4.5 簇间距调控自组装材料发光 153
4.5 基于金属纳米簇自组装材料的LED 155
4.5.1 单色光及白光LED 156
4.5.2 器件构筑新方法 156
4.6 总结与展望 160
参考文献 160
第5章 光功能纳米晶与聚合物复合超分子材料 165
5.1 引言 165
5.2 光功能纳米基元的制备 166
5.2.1 半导体纳米晶 166
5.2.2 碳基纳米点 166
5.3 纳米晶/聚合物复合超分子材料的制备方法及性质 167
5.3.1 纳米晶/聚合物复合超分子材料的制备方法 168
5.3.2 纳米晶/聚合物一维复合材料 169
5.3.3 纳米晶/聚合物二维复合材料 170
5.3.4 纳米晶/聚合物体相复合材料 172
5.3.5 纳米晶/聚合物复合微球 172
5.4 纳米晶/聚合物复合超分子发光材料 175
5.4.1 多聚羧基对CdTe纳米晶的表面修饰 175
5.4.2 CdTe纳米晶/咔唑类聚合物组装白光材料 176
5.4.3 稳定的钙钛矿纳米晶/聚合物复合发光材料 177
5.4.4 碳点/聚合物复合超分子发光材料 178
5.5 聚合物/纳米晶复合超分子光电材料 179
5.5.1 聚合物/纳米晶杂化太阳能电池的基本原理及表征 179
5.5.2 超分子作用力调控活性层形貌与光电性能 181
5.5.3 水溶液加工的聚合物/纳米晶杂化太阳能电池 183
5.6 纳米晶/聚合物复合超分子高折射率光学材料 188
5.6.1 可聚合硫化锌纳米晶体相杂化光学材料 189
5.6.2 可聚合石墨烯量子点/聚合物杂化光学材料 191
5.6.3 可聚合硅纳米晶/聚合物杂化光学材料 192
5.7 总结与展望 194
参考文献 194
第6章 离子簇超分子复合物的组装与功能化 201
6.1 组装体、预组装体和复合构筑基元 201
6.1.1 超分子化学与自组装 201
6.1.2 组装的过程控制和预组装体 203
6.1.3 构筑基元对组装结构和性质的导向作用 204
6.2 多金属氧簇及其超分子复合物 204
6.2.1 多金属氧簇结构及性质 204
6.2.2 多金属氧簇离子复合物预组装体 206
6.2.3 多金属氧簇超分子复合物的结构性质 207
6.3 多金属氧簇超分子复合物组装结构与组装机理 208
6.3.1 界面组装与溶液组装 208
6.3.2 超分子复合物的组装结构与组分匹配原理 211
6.4 多金属氧簇超分子复合物微反应器 213
6.4.1 多金属氧簇的催化原理 213
6.4.2 多金属氧簇超分子复合物组装体作为微反应器 214
6.4.3 多金属氧簇超分子复合物组装体的固载及其催化氧化 218
6.5 多金属氧簇超分子复合物液晶 222
6.5.1 液晶自组装 222
6.5.2 超分子复合物液晶结构 223
6.5.3 超分子复合物液晶功能性 226
6.6 多金属氧簇超分子复合物生物成像及光热治疗 226
6.6.1 多金属氧簇超分子复合物的水相转移 226
6.6.2 多金属氧簇超分子复合物组装结构与磁共振成像 227
6.6.3 多金属氧簇超分子复合物多功能成像 229
6.6.4 多金属氧簇超分子复合物生物成像与一体化治疗 230
6.7 多金属氧簇超分子复合物界面层用于有机太阳能器件 232
6.7.1 多金属氧簇超分子复合物在聚合物太阳能电池方面的应用 232
6.7.2 多金属氧簇超分子复合物的界面相互作用 233
6.8 多金属氧簇构筑骨架结构自组装分离膜 234
6.8.1 静电力和主客体识别驱动的二维单层骨架结构 234
6.8.2 二维单层离子骨架结构构筑及其纳米分离膜 236
6.9 总结与展望 238
参考文献 238
第7章 蛋白质组装材料 244
7.1 蛋白质组装概述 244
7.2 蛋白质组装驱动力 246
7.2.1 模板诱导蛋白质自组装 246
7.2.2 蛋白质-配体相互作用驱动蛋白质自组装 249
7.2.3 主客体识别驱动蛋白质自组装 250
7.2.4 金属螯合作用诱导蛋白质自组装 252
7.2.5 静电相互作用诱导蛋白质自组装 253
7.2.6 多肽调节蛋白质自组装 255
7.2.7 聚合物调节蛋白质自组装 256
7.2.8 共价诱导蛋白质自组装 258
7.3 蛋白质组装体结构与调控 259
7.3.1 一维蛋白质组装体 259
7.3.2 二维蛋白质组装体 261
7.3.3 三维蛋白质组装体 263
7.3.4 蛋白质组装结构的调控 265
7.4 基于蛋白质组装体构筑生物功能材料 269
7.4.1 生物传感材料 269
7.4.2 生物催化材料 271
7.4.3 生物医学诊断与治疗材料 272
7.4.4 其他功能材料 274
7.5 总结与展望 276
参考文献 277
第8章 动态超分子自组装及超分子纳米机器 282
8.1 引言 282
8.2 水溶液自组装动态超分子纳米管 283
8.2.1 纳米管的开-关转换 283
8.2.2 片层结构卷曲成纳米管 286
8.2.3 客体驱动纳米纤维膨胀成空心纳米管 289
8.2.4 DNA及其管状组装体外壳的协同机械运动 291
8.3 动态二维纳米片的超分子组装 294
8.3.1 面上接枝芳香两亲性分子形成可转换的纳米多孔片状结构 294
8.3.2 具有分子泵行为对映体筛选的手性多孔纳米片 298
8.3.3 二维多孔异质结构的组装与解组装 301
8.3.4 大环异构体选择性组装成静态和动态纳米片 304
8.4 具有动态结构变化的α-螺旋肽组装 305
8.4.1 螺旋肽的定向组装 305
8.4.2 用于对映体捕获的可逆α-螺旋肽 307
8.4.3 具有手性膜的α-螺旋肽囊泡作为手性选择性纳米反应器 309
8.5 具有响应性的糖纤维用以调控细胞增殖 311
8.6 总结与展望 314
参考文献 315
第9章 自修复超分子材料 323
9.1 引言 323
9.2 自修复材料的制备方法与分类 324
9.2.1 自修复材料的制备方法 324
9.2.2 自发型和非自发型自修复材料 333
9.3 自修复膜材料 334
9.3.1 自修复超疏水膜材料 334
9.3.2 划痕自修复膜 340
9.4 自修复体相聚合物 349
9.4.1 自修复水凝胶与弹性体 350
9.4.2 高强度自修复体相材料 352
9.4.3 功能性自修复体相材料 356
9.5 总结与展望 359
参考文献 360
第10章 特种功能超分子材料 368
10.1 水基超分子胶黏材料 368
10.1.1 以高分子为组装基元的超分子胶黏剂 369
10.1.2 基于短肽及氨基酸小分子的超分子胶黏剂 372
10.2 基于衣壳蛋白组装调控的抗HPV 新材料 378
10.2.1 概述 378
10.2.2 HPVL1单体到五聚体组装调控平台的构建及相关小分子组装调控 379
10.2.3 影响HPVL1-p形成的热点(hot-spot)发现及以此为靶点的小肽类抑制剂调控 383
10.2.4 HPV16和HPV18衣壳蛋白L1的杂合共组装调控 385
10.2.5 HPV衣壳蛋白碱性肽链段与含铕多金属氧簇的组装调控及其应用 386
10.2.6 多金属氧簇与HPVL1-p的共组装 389
10.3 超分子螺旋与孔材料 391
10.3.1 概述 391
10.3.2 超分子螺旋 391
10.3.3 螺旋孔材料 396
10.4 功能超分子凝胶 398
10.4.1 不同发光颜色的荧光软物质材料 399
10.4.2 热响应荧光软物质材料或膜材料 400
10.4.3 具有光响应行为的荧光软物质材料 400
10.4.4 气体传感器 401
10.4.5 离子传感器 402
10.4.6 具有手性光学性质的软材料 403
10.4.7 其他应用 404
10.5 总结与展望 405
参考文献 405
第11章 表面增强拉曼散射活性材料与超分子表征 413
11.1 表面增强拉曼散射简介 413
11.2 SERS 的基本原理 413
11.3 SERS 活性材料 415
11.3.1 贵金属 416
11.3.2 过渡金属 416
11.3.3 半导体材料 416
11.4 半导体拉曼散射增强机理 422
11.4.1 物理增强机理(表面等离激元共振、米氏共振) 422
11.4.2 化学增强机理(电荷转移共振、激子共振) 426
11.4.3 半导体SERS选择定则 430
11.5 SERS活性材料用于超分子表征 432
11.5.1 SERS研究组装体系氢键作用 432
11.5.2 半导体SERS基底研究分子间弱相互作用 441
11.6 总结和展望 441
参考文献 442
第12章 单分子力谱与超分子材料 448
12.1 单分子力谱技术简介 448
12.1.1 基于磁镊的单分子力谱技术 449
12.1.2 基于光镊的单分子力谱技术 450
12.1.3 基于原子力显微镜的单分子力谱技术 451
12.2 超分子组装推动力的认识 452
12.2.1 孤立体系中相互作用 452
12.2.2 组装体中作用力的认识 462
12.3 基于单分子力谱的超分子材料设计与制备 469
12.3.1 仿生材料 469
12.3.2 自修复材料 470
12.3.3 多重力学响应材料 473
12.4 力谱技术的发展 476
12.4.1 高速力谱 476
12.4.2 力精度提升 477
12.4.3 空气相单分子力谱技术 477
12.5 总结与展望 480
参考文献 481
索引 487
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