多位点响应分子机器及其超分子功能材料自组装

This project aims to construct a series of novel multi-sites-responsive molecular machines and respective supramolecular functional materials, in which several functional units with excellent electronic/optic properties are integrated. In this kind of multi-responsive functional molecular systems, intercomponent interactions, such as electron transfer and energy transfer processes can be achieved by different external stimuli, accompanying remarkable changes in the output signals, such as fluorescence and macro structures. In this kind of assemble system, photo and optical responsive molecular machines are introduced in, it can induced the deficiency of controllability of traditional polymer, and construct novel functional supramolecular materials with multi-stable mode. A series of functional groups will be introduced into the stoppering parts of chemically driven molecular shuttles that feature excellent electronic and optic properties. These modified molecular machines will be immobilized into the surfaces of CNT (carbon nano tube) which can increase the space for molecular motion of the molecular machines. The investigation of the coordinated and synergistic movements of molecular machines in self-assembled monolayer and the influences of the movements to the physical properties of the interfaces, can provide fundamental basis for the development of novel functional self-assembly material with high controllability and efficiency.

本研究创新构建新型多位点响应分子机器，将多个具有光电活性的功能分子单元集成引入同一轮烷或拟轮烷体系中，实现分子机器体系多刺激响应和多位点识别的特性，同时能引发体系荧光、堆积形态等肉眼识别信号的显著变化；通过精确设计分子机器识别位点的主客体包结，将光电分子机器引入超分子聚合物体系，弥补传统聚合物中可控性能缺陷，构建可调控多稳态超分子聚合物材料；筛选性能优异的光电响应分子机器，对这些轮烷和拟轮烷分子的端基进行合理的修饰，利用空腔内电荷转移等作用实现自组装，将其固载到聚合物链或碳纳米管表面，从而增大分子机器的运行空间，研究分子机器在界面或者整个材料体系中协同运动对于材料物理化学性质及其功能性的影响，为发展新型自组装功能材料，增强新材料可控性和高效性打下基础。

本项目按计划构建了新型多位点响应分子机器，将多个具有光电活性的功能分子单元集成引入同一轮烷或拟轮烷体系中，通过精确设计分子机器识别位点的主客体包结，将光电分子机器引入超分子聚合物体系，弥补传统聚合物中可控性能缺陷，构建可调控多稳态超分子聚合物材料：合成了基于主客体识别的光响应线形超分子聚合物体系，该线形超分子聚合物在光照刺激下产生弯曲行为的特性，为其作为新型功能材料取代传统弓形液晶应用于液晶材料显像领域提供了条件；研究了具有酸碱和电化学刺激响应性的超分子聚合物，该聚合物具有荧光输出的特点，荧光信号的引入为超分子功能材料的运动的远程读取提供可能；构建了在外界光照和电化学刺激的作用下可以实现可逆的自组装和解离的线性超分子聚合物，这是第一个基于交叉非共价分子识别作用的光控和电化学控制的超分子聚合物。. 与此同时，为了更好的理解主客体作用对超分子聚合物组装形貌与性能的影响，研究设计合成了基于偶氮苯与环糊精、甲基吡啶与磺化杯4芳烃交叉作用的超分子聚合物，并研究其形貌随着主客体作用的形成和消失的变化。. 为了进一步增强超分子聚合物的应用性能，项目筛选性能优异的光电响应分子机器，对这些轮烷和拟轮烷分子的端基进行合理的修饰，利用空腔内电荷转移等作用实现自组装，将其固载到金电极表面，从而增大分子机器的运行空间，研究分子机器在界面或者整个材料体系中协同运动对于材料物理化学性质及其导电性的影响，为发展新型自组装功能材料，增强新材料可控性和高效性打下基础，研究设计合成了一系列基于环糊精的氧化还原响应的半轮烷，并将其组装到金表面，构建了具有不同有序排列特点的轮烷单分子层。研究发现，由于亲疏水基团的聚集作用和环糊精大环的解聚作用，由含有环糊精不同数目的半轮烷构建的金单分子层表面有序性会随着环糊精数目的增加而增加。该体系可以应用于构建氧化还原驱动分子电子器件和光控器件。