纳米尺度自组装相互作用力研究进展

纳米材料具有优异的光学、力学、电学性能,但很多应用仅靠单个纳米粒子难以实现,常需要通过纳米材料组装得到有序结构.自组装是获得有序排列纳米结构最有效的方法.理想的自组装是相对无序的构造单元在恰当的相互作用力驱动下得到热力学能最小化的平衡有序结构的过程.如果构造单元发生动力学控制过程,则会形成沉淀、凝胶等.因此,纳米尺度组分之间自组装的关键在于理解和操控纳米组分之间的相互作用.自组装过程中热力学控制和动力学控制之间的竞争结果由相互作用力的作用距离决定.自组装最理想的驱动力是相对于构造单元尺寸而言的长程作用力.范德华力是相对短程的相互作用力,仅在分子范围内发生作用,对于分子尺度的几倍或几十倍的小尺寸纳米构造单元来说是适合的.一般来说,微米尺度的构造单元在短程吸引力的相互作用下总是得到无序的沉淀聚集体或凝胶.除了相互作用距离外,相互作用力的大小也能影响自组装体系的形成.自组装结构中的相互作用力强度超过了一定范围会得到动力学控制的无序聚集体.本文对近年来用于纳米尺度自组装体系的驱动力进行了梳理,探讨了范德华力、静电相互作用、磁力、氢键、DNA碱基对相互作用、交联相互作用、分子偶极相互作用等相互作用力在纳米尺度自组装体系中发挥的作用:讨论了从驱动力在纳米尺度下的大小及作用距离,到驱动力与纳米粒子尺寸和纳米粒子间距的关系,并着重分析了相互作用力在纳米尺度下与其他尺度下的不同之处.对纳米尺度相互作用力进行估算时,介绍了所涉及理论的局限性,并将估算结果与实验结果进行对照.