化学所表面功能组装结构的设计与构筑研究取得系列进展

不同代数的系列三元多级花状组装结构 

　　以原子、分子为基元以自下而上的方式实现功能体系制造是纳米科学与技术发展的重要方向，对于分子电子学、单分子物理化学、表面图案化等领域的研究有着重要意义。总结功能分子在界面自组装的基本规律，发展构筑功能自组装纳米结构的新方法和技术，实现特定表面纳米结构的精确调控和可控构筑是人们面临的巨大挑战。在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学研究所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室的科研人员致力于表面功能组装结构的设计和构筑研究，取得了系列进展。

　　在前期的工作中，该课题组研究了杯芳烃分子在Au电极表面形成多孔网格的结构多样性（J. Am. Chem. Soc. 2010. 132, 5598–5599，Chem. Asian J. 2011, 6, 1811-1816）；提出了模块化自组装的方法构筑分子一维纳米结构（ACS Nano, 2010, 4, 5685–5692. Langmuir 2011, 27, 1292-1297）；研究了寡聚苯乙烯撑衍生物表面手性组装的结构多样性及调控（Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010, 107, 2769-2774. Chem. Commun. 2009, 113, 16193-16198）；研究了溶剂对表面主客体组装及组织手性表达的影响（Langmuir, 2010, 26, 8195–8200. J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 533–538. Chem. Eur. J. 2009, 15, 9669-9673）。应Mater. Sci. Eng. R 杂志的邀请，课题组系统总结了氢键、范德华力等超分子弱相互作用对分子二维组装结构的影响，以及溶剂、浓度、电场、光照等条件对组装过程的调控作用（Mater. Sci. Eng. R, 2010, 70, 169-187）。

　　最近，该课题组在分子组装结构的精确调控方面取得了新进展。二维周期性孔洞结构的调控是表面主客体化学的研究重点之一。通常人们利用刚性的芳香环作为间隔调节基元，调控二维组装结构的周期。科研人员设计了一系列端基具有羧基的“遥爪”型构筑基元，该系列分子能够与具有氢键受体基元的三聚茚分子衍生物（TrO23）通过分子间氢键相互作用协同烷基链之间的范德华力，在HOPG表面构筑了一系列稳定的二维分子网格。该系列二维网格孔洞结构的重要特点是孔洞的大小可以通过调节苯三酸分子衍生物烷基链的长短来进行原子级的精确调节，从而能够根据客体分子的尺寸设计适合的分子主体网格。这一结果具有一定的普适性，为更加理性的设计结构稳定、可控的二维自组装纳米结构提供了新的方法和思路（Chem. Asian J. 2011, 6, 2426–2430）。

　　在此基础上，研究人员由（TrO23），苯三氧十一酸（TCDB）和铜酞菁（CuPc）分子形成的三元组装基元（TBU）为基本单元，在HOPG表面构筑了一系列多级花状的自组装结构。通过调节各个组分的浓度以及组装次序，可以有选择性的获得不同级数的花状结构。利用高分辨的STM技术，深入研究了各个结构的组成和构形，揭示了各个花状自组装结构之间的变化趋势及组织手性。该研究结果对多组分多级自组装的纳米结构的制备、设计和结构控制都具有重要意义，也给出了构筑新型功能纳米材料的方法。相关结果发表于近期的《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 21010–21015）。