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1、分 子 设 备 研 究 与 开 发,一、化学的历史功勋,化学元素的发现，利用； 化合物性质、组成、结构、反应及应用； 100多个元素,化 合 物 数 量 增 加 图,www.cas.org/egi-bin/regreport.pl2002年12月4日4时17分38秒的纪录：大学化学，2002，17，No.6，p 41。,20,690,052 种有机和无机化合物24,037,773 种序列（异构体）,化学作用的各种形式,化学反应与各种能量形式作用的多样性,化学作为一门核心、实用、创造性科学1-2，已经为人们认识物质世界和人类的文明进步做出了巨大的贡献。,1. G.C.Pimentel,“Oppo
2、rtunities in Chemistry”,National Academy Press.Washington DC,1985. 2. R.Breslow,“Chemistry Today and Tomorrow The Central, Useful and Creative Science”, American Chemical Society, 1997.,二、新的世纪对化学提出更新和更高的要求,寻求化学物质多样性功能衣、食、住、行、 环境、医疗、娱乐、 光、电、磁、生物、信息与功能,材料科学及工业的飞跃发展，不断激励着化学研究的深化和发展；,超分子体系使化学研究走向新的辉煌的大舞
3、台,1987年法国科学家诺贝尔化学奖获得者J. M. Lehn 首次提出了“超分子化学”这一概念, 他指出: “基于共价键存在着分子化学领域, 基于分子组装体和分子间键而存在着超分子化学” 。超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学, 换句话说分子间的相互作用是超分子化学的核心。 人们可以根据超分子自组装原则，使用分子间的相互作用力作为工具，把具有特定的结构和功能的组分或建筑模块按照一定的方式组装成新的超分子化合物。这些新的化合物不仅仅能表现出单个分子所不具备的特有性质，还能大大增加化合物的种类和数目。如果人们能够很好的控制超分子自组装过程，就可以按照预期目标更简单、更
4、可靠的得到具有特定结构和功能的化合物。 。,Jean-Marie Lehn 诺贝尔奖演讲主题（1987）,超分子体系概念,超分子体系的形成,分子识别,分子自组装,界面膜的形成,分子器件,器件尺寸极限的挑战,1947年12月23日，美国科学家巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士，在导体电路中进行用半导体晶体把声音信号放大的实验时，发明了科技史上具有划时代意义的成果晶体管。因它是在圣诞节前夕发明的，而且对人们未来的生活发生如此巨大的影响，所以被称为“献给世界的圣诞节礼物”。 这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果晶体管。这位科学家因此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖.,晶体管有点： 构件无能耗
5、 消耗电子少 无需预热 寿命长，可靠性高,电子管缺点： 体积大、 功耗大、 发热厉害、电源利用效率低下 结构脆弱 需要高压电源 寿命短（2000小时）,集成电路（integrated circuit）采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体.,集成电路（integrated circuit）且引出线和焊接点的数目也大为减少，从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。,收音机的变化,器件尺寸极限的挑
6、战,在过去40年中晶体管的体积迅速减小。晶体管的尺寸每18个月就减小一倍。,集成电路上的灰尘,集成电路的显微图片,在纳米分子上的晶体管,但是无论晶体管如何变小，其基本原理不变，电子是信号传播和控制的基本单元,在芯片上集成晶体管的花费 (Moores Second Law),分子工程是化学家研究思维的革命性发展,传统化学研究模式：合成 结构 性质 应用正向思维 分子工程的思维模式以功能为核心，对性质、结构和合成进行设计与施工 逆向思维,电子学和化学的结合,Nitroamine benzenethiol,electron flow Mark Reed Group (Yale),分子器件 (Mole
7、cular Device) 分子机器与分子马达 (Molecular Machine and Motor) 分子计算机 (Molecular Computer) 我们的工作,三、各种分子设备（Molecular Instrument）,各种几何构型,杆 (Rod),分子器件（Molecular Device）,平面板(Plane),立体物 (Solid, Stereo),纽结 (Knot),索烃(Catenane),旋转烷(Rotaxane),导线 (Wire),连接在金片之间的分子导线(二硫醇苯),开关 (Switch, Logic system),Balzani设计的可完成“Write L
8、ock Read Unlock Erase”循环控制过程的荧光分子开关。化合物 X 及其互变异构体化合物 Y,Z 动作完成方式较为复杂，其设计原理如图所示。,二极管 (Diodes),The Switching Mechanism,分子结点(Molecular Junction),磁性物质 (Magnetic Material),化合物MnCu(opba)( DMSO)3是一维顺磁性物质。 Cu2+有一个没有成对的电子， SCu=1/2。高自旋的Mn2+有一个局部的自旋SMn=5/2 。如图所示，同时在自旋载体 之间的反磁性相互作用升至S=9/2。,每一个硫酸根O原子与两个胍阳离子形成氢键(d
9、OH=2.0 ),分子层状材料(molecular layered materials based on a two-dimensional H-bonded network),分子机器与分子马达 (Molecular Machine and Motor),“机器”就是：“具有一定组成部分，每个部分有其特定功能的，使用能量的设备”。机器工作的时候，它的部件中至少有一部分会发生相对位置的变化。宏观机械的概念可以延伸到分子水平。分子机械可以定义为：由一组离散的分子元件（或者叫超分子结构）所组成的，在给予适当的外界刺激（输入）下，能做出如同机械运动的反应（输出）。分子机械借助于核的往复运作，并且象宏
10、观机器那样，可以从以下几个方面来表征：(1)输入的使之工作的能量的形式；(2)可以检测到的运作行为；(3)可重复性，也就是说这种运动是一个循环过程；(4)完成一个循环所需的周期，以及(5)承担的功能。将宏观机械的概念延伸到分子水平不仅对基础研究具有重大意义，对纳米科学和纳米技术的发展也有很大作用。下面给出了最近的一些研究分子机器的例子，其中包括：假旋转烷（pseudorotaxanes）,旋转烷（rotaxanes）和索烃（catenanes）,以及通过光致电子转移过程进行的操作 .,这是第一个人造的单分子机器将光能转变为力能。偶氮苯高分子在光照下伸展的反式和收缩的顺式之间形成开关模式，当分子
11、缩小时连接在分子上的负载就可以被移动。用420nm脉冲光照分子使它成,拉伸的反式（左图），然后用365nm的脉冲光使分子骨架收缩（右图），如此产生几百微微牛顿力(piconewtons)拉动悬臂向下。,From: H. E. Grub et al, Science, 2002, 296, 1103.,光,假螺旋烷的光激发运动。虚线箭头代表不存在的过程。From: Roberto Ballardini, et al. “Artificial Molecular-Level Machines: Which Energy to Make Them Work?” ACC. CHEM. RES. 200
12、1, 34, 445.,光化学,上图是以假旋转烷为基础的光控制分子机器。在这一体系中，“光燃料马达”（也就是光传感器）是分子中大环的一部分。,h,在Cu(I)索烃中电子转移诱导环的运动，光化学电子转移反应导致第一个分子的重排。From: Roberto Ballardini et al. “Molecular Machines and Motors”.,h,四配位,四配位,五配位,四配位,化学,络合物b4+和a2+之间的可逆化学诱导运动。Cu(I), Zn(II)。(From ACC. CHEM. RES. 2001, 34, 477.),电化学,这是一种电化学供能的螺旋烃载体，设计由(a)运
13、输(b)形成分子弹簧(c).From: R.Ballardini, et al. “Artificial Molecular-Level Machines: Which Energy to Make Them Work?” ACC. CHEM. RES. 2001, 34, 445.,光热,在cis构象中，光敏冠醚的H3N+能够与配位点相作用，因此部分屏蔽了冠醚结合碱性阳离子的能力。加热后，分子转变为tran构象，结合能力增大。由此在光和热的作用下形成往复运动。,电化学和化学诱导的分子开关 From: “Molecular Switches” edited by Ben L. Feringa,
14、 Wiley-VCH,2001,生物马达,ADP+Pi,ATP,F1-ATP酶作为旋转马达（发动机）的生物机器。和c可以旋转运动，带动固定在膜上的组合的33，催化二磷酸腺苷(ADP)和无机酸盐(Pi)的反应来大量生产三磷酸腺苷(ATP)。,它的中心由一个轴（碳管）连接两个六边形的终板组成，终板之间夹了八个环。在整个体系中的每个环都可以被一个由凸轮驱动的杆转动。每个环通过一个连杆与中心平台相连（此图中平台已被拱抬扭曲）。环的旋转导致连杆的移动，而连杆的移动会导致平台变形移动。,由超分子构建的分子机器,由C、H、O、N、Si、F、P等元素组成,K. Eric Drexler，the Institu
15、te for Molecular Manufacturing，1997,这个分子差速齿轮主要是由H,C,Si,N, P,O和S所构成。如图所示，这个分子中包含了两个圆柱形的轴和两个面对面的锥形齿轮，另外还有两个侧轮与轴及齿轮相啮合。,分子差速齿轮(Molecular Differential Gear),分子计算机,以一组显示共振隧道二极管特性的分子元件为基础的分子随机存取记忆单元From: Mark A Ratner,”Introducing Molecular Electronics”,Materialstoday,2002,Feb,20.,分子逻辑开关(Molecular Logic S
16、ystems),根据光诱导电子转移概念，具有荧光输出和化学输入的YES逻辑门的设计原理 From: “Molecular Switches” edited by Ben L. Feringa, Wiley-VCH,2001,四、展望,分子设备的研究与开发是一个崭新的领域，是人类科学智慧的结晶，是充满幻想的科学园地。 分子设备的研究与开发是一个多学科、交叉融合的科学领域，没有坚实的理论基础，没有精湛的科学技术，没有丰富的想象力，是很难有所创新的。,分子设备的研究与开发是一个既有重大科学意义，又有具有巨大商业价值的机遇，如果谁能真正成功地研制出分子计算机，能制造出在血管或大脑中能进行手术的分子机器，那么，我相信Nobel科学奖和滚滚的财源会向他涌去。现实的情况使我不得不指出，由于这种超级利益的趋势，对那些缺乏良好道德及良知的人，作假和欺骗成为他们成功的手段。我们必须旗帜鲜明地反对这种弄虚作假的行为。在神圣的科学领域内，我们必须对欺骗和作假说“no and get out !”,
