自组装图案与自组装修饰.doc

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1、自组装图案及自组装修饰利用自组装技术进行不同几何形状图案的构建以及对材料表面的修饰是自组装技术最简单、最初步的应用。一方面可以选择一定结构、形状的分子,通过自组装技术可以构筑不同几何形状的图案,如:利用基于DNA碎片的自组装技术,构筑了不同形状及图案的一维、二维、三维纳米结构,作为自选性胶体的DNA碎片为纳米材料定向自组装提供了平台,在纳米光电器件及蛋白/配体纳米阵列等方面存在潜在的应用价值；又如，通过富勒烯衍生物的自组装,构建了以C60为中心以衍生物的长链为外壳的稳定的纳米球,以及由这样不同的纳米球所形成的纳米网,并且纳米球和纳米网不仅是热力学稳定的,其尺寸也

2、可以通过调节富勒烯衍生物中长链的分子量而得到控制。另一方面可以通过自组装技术对材料表面进行修饰，以增强材料的力学性质、生物相容性,或者获得本来根本不具备的光、电、磁、手性等性能的新材料。利用自组装技术,无论是对不同几何形状结构的构筑还是对材料表面所进行的修饰,不仅有利于发现更多的可用于自组装的分子及元件,而且也为多样化功能器件的构筑提供更为丰富的原材料,从而为自组装技术的进一步发展奠定基础。本文主要选取自组装技术在图案化或纳米结构和材料表面修饰的主要应用进行分别介绍：1.自组装纳米图案或纳米结构表面图案化是指在至少一维的方向上生成纳米级的规则表面结构，在材料科学

3、、微电子学和细胞生物学等方面有着重要的科学意义和应用价值，其在纳米反应器、微型阵列器件、组合化学与药物筛选等方面的潜在应用也是巨大并可预见的。此外，在纳米图案或纳米结构材料的制备过程中不仅会涌现出新技术，还将开辟异于信息处理和存储的全新应用领域，如在光电子、生物医学或材料科学中发挥作用。常见制备纳米图案或纳米结构材料的方法主要有两类，分别可用“自上而下”和“自下而上”来描述。前者主要由各种微影技术组成；后者一般利用分子间的相互作用，经自组装形成各种纳米图案。其中“自上而下”包括光刻法、扫描束光刻（电子束光刻和离子束光刻）、蘸笔纳米光刻等传统微影技术。“自下而上”

4、主要是近年来出现的基于自组装技术的新型制备技术。传统的制备技术尽管己在制造业中取得了巨大成功，然而这些技术往往面临着高成本、低产量、尺寸极限、局限于材料的平面加工以及无法进行非标准化加工(如非平面加工、大范围的低成本加工以及立体加工)等困境。此外，传统技术往往还需要腐蚀性刻蚀剂、高能辐射以及高温等严苛条件。对任何纳米制备技术而言，快速低成本制备纳米图案的能力均是关乎其生命力的关键因素。相较之下，非传统技术常能通过廉价的方法实现纳米图案的快速制备且可操作性优于传统技术，开启了探索纳米科学与技术的新纪元。谈到纳米图案或结构，不得不提的就是被称为纳米“建筑材料”的DN

5、A。自然界的有机体，从最简单的单细胞藻类到最复杂的动物器官，如人类大脑，均可被视为具备特定功能的自组装系统。如何通过人造纳米结构模拟这类天然自组装系统，长久以来都是科学家的一个梦想。DNA因优越的自组装性能而成为我们的理想“建筑材料”，它不仅是遗传信息的主要存储介质，且因特殊的双螺旋结构而“声名在外”，作为重要的结构单元常被用于纳米制备这类前沿的研究领域。通过制备高度有序的纳米图案，DNA极有希望在电子学、磁学、光电子以及传感器等领域发挥巨大作用。近期，以DNA为“建筑材料”用于形成纳米结构的DNA纳米技术，因其为人造纳米结构的制各提供了一个新颖的方法而受到学界

6、地普遍关注。基于DNA分子的双螺旋结构和碱基配对原则，科学家已成功获得了诸多独特的DNA纳米结构。DNA的自组装特性使其成为优异的纳米“建筑材料”。首先，碱基配对原则使DNA单链之间的杂交具有高度可预测性。第二，DNA双螺旋结构已经被充分研究：直径2nm、螺旋间隔3．4nm(约10．5个碱基)，这些知识可促进对复杂DNA纳米结构的设计。第三，DNA分子结构兼具刚性和柔性，相对刚性的双螺旋与相对柔性的单链DNA（ssDNA）互穿可形成稳定的几何图案。第四，现代有机化学和分子生物学已经创造了DNA分子的合成、修饰以及复制等诸多方法。最后，DNA的生物相容性，适于形成

7、异源DNA纳米图案。在此概述了DNA分子结构、DNA自组装图案的形成原理和种类以及DNA自组装图案的应用。（1）DNA分子结构DNA(图1)的结构单元由磷酸脱氧核糖和碱基组成，其中碱基分为腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)以及胸腺嘧啶（T）四种。DNA学名为脱氧核糖核苷酸，由于N种核苷酸便有N4种结构序列，因此DNA拥有巨大的信息存储空间。理论而言，每纳米长度的DNA链可容纳2．86比特的信息量。DNA分子中的碱基，通过兀键堆叠与特异性配对机制发生相互作用。碱基配对不仅可以使单链DNA(ssDNA)形成簪或环结构而且可以使互补的ssDNA形成双链结构。图1

8、DNA基本结构利用特异性