高分子科学与材料概论.ppt
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1、2007-06-06,高分子科学与材料概论,1,超分子化学与纳米高分子材料,2007-06-06,高分子科学与材料概论,2,Superman Super-molecule Super-:强大、有力量、巨大,等等。超:越过、超过、赶上;大于、高于、远于。纳米:10-9 m,非常小的尺度。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结构。分子的尺寸有多大?,2007-06-06,高分子科学与材料概论,3,化学合成:通过化学键的断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
2、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。列奥纳多达芬奇,2007-06-06,高分子科学与材料概论,4,纲 要,超分子化学什么是超分子化学小分子的超分子天然高分子的超分子化学(生命)合成高分子的超分子化学纳米材料简述 尺度、维数、纳米材料的特性高分子的超分子化学 高分子的共混体系 嵌段共聚物的超分子化学(固体、溶液)高分子超分子化学的应用,2007-06-06,高分子科学与材料概论,5,超分子化学,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作用结合在一起,形成复杂的、有组织的聚集体,保持一定的完整性,使它具有明确的
3、微观结构和宏观特性。,物质结构的层次,2007-06-06,高分子科学与材料概论,6,什么是超分子?,超分子形成的因素(能量、熵、分子识别)相互作用(降低能量)(非共价键)静电作用,G=H-TS 相互作用 熵因素,2007-06-06,高分子科学与材料概论,7,什么是超分子?,相互作用(降低能量)氢键 金属原子和配位体间的配位键 疏水相互作用-堆叠作用 范德华力,-堆叠,2007-06-06,高分子科学与材料概论,8,什么是超分子?,分子识别(客体和主体,给体和受体,锁和钥匙),局部的弱相互作用加和、协同,形成锁和钥匙间强的分子间作用力,生成稳定的、具有特定结构的超分子。分子识别是构筑有序超分
4、子结构所必需的。,2007-06-06,高分子科学与材料概论,9,小分子的超分子,氢键识别组装成分子饼,三聚氰胺,氰尿酸,2007-06-06,高分子科学与材料概论,10,小分子的超分子,氢键识别、-堆叠和冠醚-阳离子识别的协同,2007-06-06,高分子科学与材料概论,11,小分子的超分子,Zn-N配位键形成的分子盒,锌-卟啉,2007-06-06,高分子科学与材料概论,12,小分子的超分子,Fe-N配位键组装成的超分子,联吡啶,2007-06-06,高分子科学与材料概论,13,小分子的超分子,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
5、成长链。,2007-06-06,高分子科学与材料概论,14,环糊精的类别和结构,疏水性内腔亲水性外壳,2007-06-06,高分子科学与材料概论,15,天然高分子的超分子化学(生命),遗传物质DNA,2007-06-06,高分子科学与材料概论,16,生命活动的载体蛋白质蛋白质的合成,天然高分子的超分子化学(生命),mRNA作为模板tRNA结合、运载氨基酸,并与mRNA的碱基配对,以合成特定的蛋白质rRNA(核糖体RNA)结合mRNA,2007-06-06,高分子科学与材料概论,17,生命活动的载体蛋白质,蛋白质的分子链构象及其功能 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
6、心蛋白,头发的结构,2007-06-06,高分子科学与材料概论,18,天然高分子的超分子化学(生命),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。,2007-06-06,高分子科学与材料概论,19,天然高分子的超分子化学(生命),细胞膜(磷脂分子和蛋白质分子的超分子)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。,物质和信息的交换,2007-06-06,高分子科学与材料概论,20,天然高分子的超分子化学(生命)
7、,肌肉组织(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、原肌球蛋白和肌钙蛋白。,2007-06-06,高分子科学与材料概论,
8、21,表面活性剂的超分子结构,胶束(正、反)球形棒状囊泡(乳化剂双分子层构成囊泡壁)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,2007-06-06,高分子科学与材料概论,22,纳米材料简述,尺度:0.1100 nm 维数 零维:纳米粒子;一维:纳米管、纳米线;二维:薄膜;三维: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0-0复合、0-3复合、0-2复合;纳米组装体系、纳米尺度图案材料,2007-06-06,高分子科学与材料概论,23,纳米材料简述,纳米材料特性体积效应(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)
9、;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;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;宏观量子隧道效应:,2007-06-06,高分子科学与材料概论,24,高分子的超分子化学结构及其功能,高分子合金(混合物)中超分子结构,A和E为体心立方相B和D为六方堆积柱状相C为分层相,2007-06-06,高分子科学与材料概论,25,嵌段共聚物的超分子结构,嵌段共聚物的类型 嵌段数目:两嵌段、三嵌段、多嵌段 形 状:
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