我国科学家在有机聚合物层状组装及其功能研究方面取得创新成果

日期 2005-03-30　来源：办公室　作者：　【大中小】　【打印】　【关闭】

　　本文提要：在国家自然科学基金和国家杰出青年科学基金等连续资助下，吉林大学沈家骢、张希教授及其研究集体在有机聚合物层状构筑及其功能的研究方面，借鉴自然界分子自组装和分子自组织的思想，利用各种分子间相互作用，获得了具有特殊物理和化学性质及多功能集成的组装体，揭示了分子组装结构与功能的内在联系，发展了多种组装新方法和新技术，实现了对层状组装体赋予功能并进行调控。他们的主要研究成果获得2004年国家自然科学奖二等奖一项。　　在国家自然科学基金和国家杰出青年科学基金等连续资助下，吉林大学沈家骢、张希教授及其研究集体经过15年的不懈努力，在有机聚合物层状构筑及其功能的研究方面，取得一系列有重要影响的进展，其主要研究成果获得2004年国家自然科学奖二等奖一项。　　在分子科学的研究中，超分子自组装是近年来倍受重视的国际前沿课题。超分子自组装是分子通过分子间相互作用形成具有有序结构的分子聚集体。它往往表现出单个分子或低级分子聚集体所不具有的特性与功能。超分子自组装的研究首先从生物体系的研究受到启发：生命体系中大分子的高级有序结构对其生物活性与功能起着非常重要的作用，由许多弱相互作用点共同作用使得很复杂的生物高分子形成严格一致的分子形状和尺寸，正是这弱相互作用对大分子三维构筑的精确控制，才使得生命过程成为可能并得以实现。以通过分子间相互作用形成的有序分子聚集体高级结构为对象，研究其形成、结构和性能的科学，研究连接微观分子世界和宏观复杂体系之间的多分子多层次有序聚集体，不断尝试以各类分子作为构筑单元，组装具有高级有序结构的分子聚集体，认识分子聚集体结构调控、构筑的规律、结构与性能的关系，进而在化学与生命科学、材料科学之间建立桥梁。　　有机聚合物层状组装及其功能的研究正是超分子自组装研究中的重要方向之一。沈家骢、张希教授在国内外较早开展了这一领域的研究，他们借鉴自然界分子自组装和分子自组织的原理和思想，利用各种分子间相互作用如静电作用、氢键、配位键、疏水效应及其协同作用，组装具有特殊物理和化学性质及多功能集成的组装体。合成或筛选具有自组织能力的构筑基元，发展各种界面分子组装的方法，构建界面清晰、结构稳定的三维层状组装体及分子组装体的二维形态控制等。他们的主要成果包括：　　一、提出了类"浮萍"与"倒浮萍"聚合物超薄膜的概念，为解决聚合物膜的稳定性与有序度相矛盾的问题提供了新思路。系统地发展了基于液/固界面上聚电解质交替沉积的静电组装技术。以无机纳米胶体与带相反电荷的聚电解质交替沉积，制备了无机 - 有机杂化结构的复合膜，为组装含有纳米微粒的复合功能超薄膜材料提供了新途径。将静电组装技术与化学修饰电极相结合，发展了制备新型超薄膜化学修饰电极新方法。　　二、利用基于静电作用的层状组装，成功地实现了单酶和多酶体系按人为设计进行的有序组装，为组装酶传感器和高效酶反应器提供了新方法。提出了以层状组装与层间反应相结合来制备共价键连接的层状体系新方法；将静电组装技术与层间原位光化学反应相结合，发展了一种制备共价键合的多层膜新方法，此方法可较广泛地适用于制备稳定的功能组装体。他们在1996年发表的论文被美国康涅狄格大学路司苓教授在《蛋白质构筑：界面分子组装与固定化生物技术》专著第13章中做了评述：“据我所知，关于该主题的第一篇论文出现在1996年，它描述葡萄糖氧化酶和异构酶的膜组装体，并用来将麦芽糖中介氧化成葡糖酸”。　　三、提出并实现了基于氢键和配位键的层状组装技术，使组装在有机相中得以实现；将基于氢键的聚合物多层膜置于碱溶液中浸泡，利用其一组分快速离去，而另一组分发生构象重排，从而发现了一种制备微孔薄膜的新技术。建立的基于氢键的层状组装方法,不仅使得层状组装可以成功地在非水体系中实现，而且可以利用环境条件的改变来调控层状结构。美国《材料化学》刊物的副主编、澳大利亚墨尔本大学的卡若苏教授在《大分子》上撰文指出：“利用氢键实现层状组装的方法是由若勃呐和张（希）几乎同时报道的”。　　四、利用树枝状分子的化学吸附、含介晶基团的双头双亲分子的界面聚集等方法，实现了以界面分子自组装来构筑二维纳米级图案化表面。通过在构筑基元中引入介晶基团，以增强分子间的相互作用力，有效地改善了多层膜的有序度和稳定性；发现含有介晶基团的双头双亲分子能形成在干燥条件下稳定的表面胶束，为制备二维有序表面结构提供新思路。《欧洲化学》的审稿人曾评价道：“这是十分重要的论文，它是表面活性剂界面组装方面的新突破。许多研究组试图发现干燥状态下能稳定的表面胶束，但都失败了，这是我读到的第一个成功的报道”。　　他们已在德国《先进材料》、《欧洲化学》及美国《大分子》等期刊上共计发表了SCI检索论文78篇，其中影响因子3.0以上论文33篇。到2004年8月，这些论文被他人引用已达818篇次，国际同行在论文中引用时有许多大段正面评价。应邀在国际性重要学术会议上作大会报告和邀请报告共计22次。曾被邀请在德国《先进材料》期刊上介绍他们的系统研究工作。此外，还被邀请在美国出版的《蛋白质构筑：界面分子组装与固定化生物技术》和德国出版的《多层薄膜：纳米复合材料的有序组装》两本专著中各撰写了一章。组织编著《超分子层状结构-组装与功能》专著一本。他们还组织召开了六次超分子国际研讨会，其中三次是香山会议，广泛开展国际合作，大大推动了国内相关研究工作。　　这些研究成果揭示了分子组装结构与功能的内在联系，发展了多种组装新方法和新技术，实现了对层状组装体赋予功能并进行调控，对发展超分子功能体系有重要意义，并为有机信息功能器件与芯片的研究提供了新材料和新思路,为丰富和发展超分子科学做出了重要贡献。