高分子科学与材料概论课件

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1、超分子化学与纳米高分子材料超分子化学与纳米高分子材料 2007-06-061高分子科学与材料概论课件Superman Super-molecule Super-: 强大、有力量、巨大，等等。强大、有力量、巨大，等等。超：越过、超过、赶上；大于、高于、远于。超：越过、超过、赶上；大于、高于、远于。纳米：纳米： 10-9 m，非常小的尺度。，非常小的尺度。 两者有何关联？两者有何关联？ 超分子：在分子这一物质结构层次之上去观察物质的超分子：在分子这一物质结构层次之上去观察物质的结构。结构。分子的尺寸有多大？分子的尺寸有多大？ 2007-06-062高分子科学与材料概论课件 化学合成：通过化学键的断

2、裂和重生来创造新的物质。 分子化学：从化学键的结合这一层次研究物质的结构和性质。 分子结构间接影响物质的性能，聚集态才是直接影响物质性能的因素。 超分子构筑：通过分子间弱相互作用来形成新的物质。 在大自然创造的物种基础上，用自然之物和自然之和谐，人类将创造无限的物种。列奥纳多列奥纳多达达芬奇芬奇2007-06-063高分子科学与材料概论课件纲纲 要要z超分子化学超分子化学v什么是超分子化学v小分子的超分子v天然高分子的超分子化学（生命）v合成高分子的超分子化学z纳米材料简述纳米材料简述 尺度、维数、纳米材料的特性z高分子的超分子化学高分子的超分子化学v 高分子的共混体系v 嵌段共聚物的超分子化

3、学（固体、溶液）v 高分子超分子化学的应用2007-06-064高分子科学与材料概论课件超分子化学超分子化学v什么是超分子？什么是超分子？ 超分子是指由两种或两种以上分子依靠分子间相互分子间相互作用作用结合在一起，形成复杂的、有组有组织的聚集体织的聚集体，保持一定的完整性，使它具有明确的微观明确的微观结构和宏观特性结构和宏观特性。物质结构的层次物质结构的层次2007-06-065高分子科学与材料概论课件v 什么是超分子？什么是超分子？ 超分子形成的因素超分子形成的因素 （能量、熵、分子识别）（能量、熵、分子识别）相互作用（降低能量）相互作用（降低能量） （非共价键）（非共价键） 静电作用静电作

4、用 G = H - T S 相互作用 熵因素2007-06-066高分子科学与材料概论课件v 什么是超分子？什么是超分子？ 相互作用（降低能量）相互作用（降低能量） 氢键氢键 金属原子和配位体间的配位键金属原子和配位体间的配位键 疏水相互作用疏水相互作用 - - 堆叠作用堆叠作用 范德华力范德华力-堆叠2007-06-067高分子科学与材料概论课件v 什么是超分子？什么是超分子？ 分子识别分子识别 （客体和主体，给体和受体，锁和钥匙）局部的弱弱相互作用加和、协同协同，形成锁和钥匙间强强的分子间作用力，生成稳定稳定的、具有特定特定结构结构的超分子。分子识别是构筑分子识别是构筑有序超分子结构有序超

5、分子结构所必需的。所必需的。2007-06-068高分子科学与材料概论课件v 小分子的超分子小分子的超分子 氢键识别组装成分子饼氢键识别组装成分子饼三聚氰胺三聚氰胺氰尿酸氰尿酸 2007-06-069高分子科学与材料概论课件v 小分子的超分子小分子的超分子 氢键识别、氢键识别、 - - 堆叠和冠醚堆叠和冠醚- -阳离子识别的协同阳离子识别的协同2007-06-0610高分子科学与材料概论课件v 小分子的超分子小分子的超分子 Zn-N配位键形成的分子盒配位键形成的分子盒锌锌-卟啉卟啉 2007-06-0611高分子科学与材料概论课件v 小分子的超分子小分子的超分子 Fe-N配位键组装成的超分子配

6、位键组装成的超分子联吡啶联吡啶2007-06-0612高分子科学与材料概论课件v小分子的超分子小分子的超分子 疏水作用疏水作用环糊精接上一个疏水基团（如Ph-C4H9），这个基团通过识别环糊精疏水性的内腔，自组装成长链。2007-06-0613高分子科学与材料概论课件环糊精的类别和结构环糊精的类别和结构疏水性内腔疏水性内腔亲水性外壳亲水性外壳2007-06-0614高分子科学与材料概论课件v 天然高分子的超分子化学（生命）天然高分子的超分子化学（生命） 遗传物质遗传物质DNA2007-06-0615高分子科学与材料概论课件 生命活动的载体蛋白质生命活动的载体蛋白质蛋白质的合成蛋白质的合成v 天

7、然高分子的超分子化学（生命）天然高分子的超分子化学（生命）mRNA作为模板作为模板tRNA结合、运载氨基酸，结合、运载氨基酸，并与并与mRNA的碱基配对，的碱基配对，以合成特定的蛋白质以合成特定的蛋白质rRNA（核糖体（核糖体RNA）结合）结合mRNA2007-06-0616高分子科学与材料概论课件 生命活动的载体蛋白质生命活动的载体蛋白质蛋白质的分子链构象及其功蛋白质的分子链构象及其功能能 蛋白质二级结构：a-螺旋： 头发等的a- 角蛋白b-折叠：蚕丝的丝心蛋白头发的结构头发的结构2007-06-0617高分子科学与材料概论课件v 天然高分子的超分子化学（生命）天然高分子的超分子化学（生命）

8、 病毒的超分子结构病毒的超分子结构 植物病毒：RNA和蛋白质的超分子； 动物病毒：DNA和蛋白质的超分子； 核酸居于内部，蛋白质以最简单、占有空间最为经济的方式排列。2007-06-0618高分子科学与材料概论课件v天然高分子的超分子化学（生命）天然高分子的超分子化学（生命）细胞膜细胞膜（磷脂分子和蛋白质分子磷脂分子和蛋白质分子的超分子）的超分子） 磷脂分子（50 %），构成细胞膜的基本支架。 蛋白质（40 %），一类蛋白质分子镶在膜的表层， 另一类蛋白质分子嵌插或贯穿在磷脂双分子层中。物质和信息物质和信息的交换的交换2007-06-0619高分子科学与材料概论课件v天然高分子的超分子化学（生

9、命）天然高分子的超分子化学（生命）肌肉组织肌肉组织（微丝中的蛋白质微丝中的蛋白质）微丝的主要组分是肌动蛋白纤维，后者是由肌动蛋白组成的直径为7nm的骨架纤维；肌动蛋白的单链是球形（G-肌动蛋白），由两股G-肌动蛋白单链相互缠绕形成纤维状肌动蛋白（F-肌动蛋白）。从球形纤维状的变化是自组装的，除肌肉细胞和肠上皮细胞微绒毛中的微丝是稳定的结构外，通常细胞中的微丝都是处在组装和解聚的动态之中。微丝组装的条件：Mg2+和高浓度Na+、K+， 解聚的条件：Ca2+，低浓度的Na+、K+和ATP。不同类型的细胞中，微丝还含有微丝结合蛋白，形成各自独特的结构或特定的功能，如肌细胞中就有肌球蛋白、原肌球蛋白和

10、肌钙蛋白。 2007-06-0620高分子科学与材料概论课件v 表面活性剂的超分子结构表面活性剂的超分子结构 胶束（正、反）胶束（正、反）球形棒状囊泡囊泡（乳化剂双分子层构成囊泡壁）复杂超分子结构复杂超分子结构LB膜和多层膜洋葱状结构棒状结束的聚集体2007-06-0621高分子科学与材料概论课件z 纳米材料简述纳米材料简述v 尺度：尺度：0.1100 nmv 维数维数 零维：纳米粒子； 一维：纳米管、纳米线； 二维：薄膜； 三维：v 纳米材料纳米材料单一或单相材料：纳米粒子、纳米管、纳米线纳米复合材料t0-0复合、0-3复合、0-2复合；t纳米组装体系、纳米尺度图案材料2007-06-062

11、2高分子科学与材料概论课件z 纳米材料简述纳米材料简述v 纳米材料特性纳米材料特性体积效应（小尺寸效应）体积效应（小尺寸效应）：光、电、磁、化学特性和体材料相比发生很大变化熔点远低于体材料的相应值（冷压冶金）；等离子体共振频率随颗粒尺寸变化（宽频微波吸收材料）；磁性的变化：纳米磁性材料表现为超顺磁性；电阻率发生突变：金属变成非导体，电阻温度系数发生变化；v表面（界面）效应表面（界面）效应：比表面大、表面原子的分数剧增；表面原子缺少相邻原子，具有不饱和性（化学活性增加）；表面能高，吸附作用强，易聚集；v宏观量子隧道效应：宏观量子隧道效应：2007-06-0623高分子科学与材料概论课件z高分子的

12、超分子化学结构及其功能高分子的超分子化学结构及其功能v 高分子合金（混合物）中超分子结构高分子合金（混合物）中超分子结构A和和E为体心立方相体心立方相B和和D为六方堆六方堆积柱柱状相状相C为分分层相相 2007-06-0624高分子科学与材料概论课件v 嵌段共聚物的超分子结构嵌段共聚物的超分子结构嵌段共聚物的类型嵌段共聚物的类型 嵌段数目：嵌段数目：两嵌段、三嵌段、多嵌段 形形 状：状：线形、星形、H-形、-形、哑铃形 性性 质：质： 溶剂亲合性（水、其它溶剂）：溶剂亲合性（水、其它溶剂）：双亲性、单亲性； 刚、柔性：刚、柔性：coil-rod（柔性链-刚性链）2007-06-0625高分子科

13、学与材料概论课件嵌段共聚物结构示意图嵌段共聚物结构示意图2007-06-0626高分子科学与材料概论课件 AB两嵌段线形共聚物的超分子结构两嵌段线形共聚物的超分子结构超分子结构类型依赖于两个嵌段之间的相互作用：超分子结构类型依赖于两个嵌段之间的相互作用：两个嵌段亲合：均一体系；两个嵌段排异：才会出现不同形态的超分子结构，相互作用的强弱与共聚物的结构相关；2007-06-0627高分子科学与材料概论课件聚苯乙烯-聚异戊二烯两嵌段共聚物的相图（实验测定） fPI ：聚异戊二烯的体积分数；N：共聚物的长度；c：不同单元间的相互作用参数2007-06-0628高分子科学与材料概论课件聚苯乙烯聚苯乙烯-

14、聚异戊二烯聚异戊二烯两嵌段共聚物两嵌段共聚物PSt-PI两嵌段共聚物的分层微相结构（两嵌段共聚物的分层微相结构（fSt=0.64，Mn=39k） 透射电子显微镜照片透射电子显微镜照片小角小角X-散射（散射（1 : 2 : 3 : 4 ）2007-06-0629高分子科学与材料概论课件聚苯乙烯聚苯乙烯-聚异戊二烯聚异戊二烯两嵌段共聚物两嵌段共聚物 PSt-PI-PSt（fSt=0.24，N=203 ）嵌段共聚物六方柱相）嵌段共聚物六方柱相 透射电子显微镜照片透射电子显微镜照片小角小角X-散射（散射（ ）2007-06-0630高分子科学与材料概论课件 ABC线形嵌段共聚物的超分子结构线形嵌段共聚

15、物的超分子结构组成为1:1:1的P2VP-PI-PS三嵌段共聚物的TEM图象，显示出六方堆积的核壳柱状结构，P2VP形成柱的内核 （a：切片方向垂直于柱径向；b：切片方向平行于柱的径向）2007-06-0631高分子科学与材料概论课件聚苯乙烯聚苯乙烯-聚聚(乙烯乙烯-丁烯丁烯)-聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯PS-PEB-PMMA三嵌段共聚物，当共聚物组成为fPS=0.48、fPEB=0.20时，共聚物形成“rods in lamellae”超分子结构 2007-06-0632高分子科学与材料概论课件PS-PB-PMMA三嵌段共聚物（fPS=0.47、fPB=0.075）“spheres i

16、n lamellae”超分子结构 PS-PEB-PMMA三嵌段共聚物（fPS=0.47、fPEB=0.075）“rings on cylinder”超分子结构2007-06-0633高分子科学与材料概论课件聚聚(异戊二烯异戊二烯-b-苯乙烯苯乙烯-b-环氧乙烷环氧乙烷) 嵌段共聚物嵌段共聚物六种有序的超分子结构：六种有序的超分子结构：LAM (分层相)、HEX (六方柱相)、 Q230 (双螺旋相)、Q214 (交替螺旋相)、BCC (体心立方相)、O70 (Fddd orthorhombic network)； 无序结构：disordered介稳定相：HPL（变形的层状结构 ）Macromo

17、lecules 2007, 40, 28822007-06-0634高分子科学与材料概论课件 rod-coil 嵌段共聚物的超分子结构嵌段共聚物的超分子结构PSt嵌段嵌段：长度小，可限制超分子结构的尺寸；聚丁二烯嵌段聚丁二烯嵌段： 可在高温进行交联；芳香嵌段芳香嵌段：刚性，结晶能力强，共聚物的结构妨碍形成晶体；CF3：强极性取代基，提供了自组装的附加驱动力；2007-06-0635高分子科学与材料概论课件 加热：加热：分子量增加；SAXS：存在分层结构 ；非线性光学实验非线性光学实验 ：超分子结构无对称中心；CF3换成其它结构：不能形成超分子结构； 2007-06-0636高分子科学与材料概论

18、课件(a)Smectic A（近晶A液晶）(b)bicontinuous cubic （双连续立方相）(c)hexagonal columnar phases （六方柱相）2007-06-0637高分子科学与材料概论课件溶液浇铸膜的荧光显微照片溶液浇铸膜的荧光显微照片（溶液浓度：（溶液浓度： 30，m：10， n： 300）2007-06-0638高分子科学与材料概论课件 溶液中嵌段共聚物的超分子结构溶液中嵌段共聚物的超分子结构超分子结构（胶束）：超分子结构（胶束）：选择性溶剂，两亲性嵌段共聚物；临界胶束浓度（临界胶束浓度（cmc）：）：胶束形成的最低浓度；临界凝胶浓度（临界凝胶浓度（cgc）

19、：）：高浓度下，胶束可以有序堆积成晶格结构；临界胶束温度（临界胶束温度（cmt）：）：依赖于自组装是吸热还是放热的；胶束的形态：胶束的形态：球状、棒状、囊泡；2007-06-0639高分子科学与材料概论课件聚谷氨酸聚谷氨酸- -b b- -聚赖氨酸超分子结构的聚赖氨酸超分子结构的pH依赖性依赖性pH4： 聚谷氨酸嵌段中性，为螺旋构象，溶解性降低；聚赖氨酸质子化；5pH10： 聚谷氨酸嵌段充分电离，聚赖氨酸完全去质子化，溶解性降低J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 20262027.2007-06-0640高分子科学与材料概论课件聚聚(4-乙烯基吡啶乙烯基吡啶-b-苯乙烯苯

20、乙烯- b-4-乙烯基吡啶乙烯基吡啶)P4VP43-b-PS260-b-P4VP43聚集结构的原子力显微镜照片a：直径21 nm的球(DMF)b：直径31 nm的线(DO)c ：直径31 nm的环(DO)Materials Chemistry and Physics 101 (2007) 56622007-06-0641高分子科学与材料概论课件聚乙二醇聚乙二醇-b-聚苯聚苯(Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 7195)透射电子显微镜照片透射电子显微镜照片水溶液中形成的超分子结构a) coil-like fiber (negatively stained with

21、uranyl acetate); b) 截面TEM图像 (positively stained with RuO4)正己烷中形成的超分子结构c) stiff fiber (positively stained with RuO4)偏光显微镜偏光显微镜d) 在正己烷中形成的向列液晶相的图像2007-06-0642高分子科学与材料概论课件聚乙二醇聚乙二醇-b-聚苯聚苯(Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 7195)溶剂诱导不同超分子结构的示意图2007-06-0643高分子科学与材料概论课件v 高分子超分子结构辅助合成高分子超分子结构辅助合成ZnSe纳米结构纳米结构PE

22、OPPOPEO/水/p-二甲苯 三元体系相图（25 C）Pluronic P105 (EO37PO58EO37)Nanotechnology 17 (2006) 31213128L1：常规胶束（水包）；溶致液晶相：I1 ：立方球相；H1：六方柱相；V1：双连续立方相；La：层状相； V2：反双连续相；H2：反六方柱相；I2：反立方球相L2：反胶束2007-06-0644高分子科学与材料概论课件55 wt% PEOPPOPEO, 23 wt% p-xylene, and 22 wt% of 1 M zinc acetate dihydrate in water.2007-06-0645高分子科学

23、与材料概论课件49 wt% PEOPPOPEO, 17 wt% p-xylene, and 34 wt% of 1 M zinc acetate dihydrate in water2007-06-0646高分子科学与材料概论课件56 wt% PEOPPOPEO, 6 wt% p-xylene, and 38 wt% of 1 M zinc acetate dihydrate in water.2007-06-0647高分子科学与材料概论课件v 超分子光化学分子器件超分子光化学分子器件Schematic representation of relationship between supram

24、olecule and molecular devices受受体体底底物物络合或分子间键络合或分子间键超分子超分子识别识别催化催化传递传递分子器件分子器件多分多分子有子有序集序集合体合体化学调控化学调控光化学调控光化学调控电化学调控电化学调控超分子光超分子光化学分子化学分子器件器件2007-06-0648高分子科学与材料概论课件高分子胶束作为药物和基因转载的纳米载体高分子胶束作为药物和基因转载的纳米载体2007-06-0649高分子科学与材料概论课件顺铂顺铂-聚聚(环氧乙烷环氧乙烷-b-谷氨酸谷氨酸)控释药物控释药物2007-06-0650高分子科学与材料概论课件基因转载的载体基因转载的载体2007-06-0651高分子科学与材料概论课件谢谢大家！谢谢大家！2007-06-0652高分子科学与材料概论课件