可控多级次组装体的构筑与功能

The construction of hierarchical assemblies with defined structures and unique properties by using functional molecules or nanoparticles as building blocks, is one of the greatest challenges in scientific frontiers. This integrated project focus on key scientific problems of this area, including the design of new building blocks, synergistic effects of different hierarchies, and the unique properties of macroscopic assemblies. We will develop self-assembly methods for constructing hierarchical assemblies at different scales, from simple building blocks to nanoscopic, microscopic and to macroscopic materials by using novel building blocks, including chiral ones, frame-guided ones and nanoparticles. By combining with theoretical simulation, the architecture control and dynamic adjustment will be realized, and finally macroscopic assemblies with unique properties will be produced. This integrated project will make important progresses on novel building blocks, the theoretical and experimental methods for hierarchical self-assemblies and function oriented self-assembly systems, which will support the successful accomplishment of the project of “The controllable self-assembly systems and their functions”.

以功能分子或纳米粒子作为构筑基元，按照人们的意愿构筑结构可控、性能优越的组装体，是当今科学前沿最具挑战性的课题之一。该集成项目围绕多级次组装体的组装单元的设计、多级次之间的协同和宏观组装体独特性能的产生等关键科学问题，将基于新颖的组装基元如手性基元，框架诱导基元和纳米颗粒等，发展从简单构筑基元到纳米、微米乃至宏观物质的多级次、跨尺度可控构筑方法，结合理论计算与模拟，实现多级次组装过程中的结构控制与动力学调控，获得具有独特性能与应用前景的高级结构组装体或者宏观物质。该集成项目在构建新颖的功能组装基元，建立可控多级次组装的理论和实验方法，发展功能导向的自组装新体系等方面取得重要成果，为“可控自组装体系及其功能化”重大研究计划提供重要支撑。

本项目旨在发展纳米颗粒，手性基元以及框架诱导等基元实现多级次组装；实现多级次组装体中的组装基元功能的集成与放大，开拓多级次组装体在光电、不对称催化、圆偏振发光、生物等方面的独特性能与应用等。三年来，按照课题任务书上拟定的研究内容与目标完成了任务，达到了预定的目标。取得了如下主要研究成果。以纳米颗粒为基本构筑单元，构筑了大面积的纳米晶组装体，特别是实现了六面体，八面体和十二面体晶体的大规模排列；组装了双层MOF包括的纳米颗粒，实现了纳米颗粒对醛的选择性催化；研究了手性构筑的组装，实现了跨尺度手性的传递，既有纳米尺度的螺旋管的构筑，又有宏观尺度周期在毫米级的纳米结构的组装，并发现了在吸波领域的应用；研究了基于纳米管的不对称催化和基于MOF的光驱动不对称催化，体现了超分子特色，实现了催化反应的高选择性和高反应性；构建了高效有机太阳能电池，转化效率达到11.4%；开发了基于手性传递构筑的超分子手性光学开关，手性逻辑门；构建了新型的圆偏振发光超分子手性材料；提出了框架诱导自组装的概念，基于框架诱导自组装实现了立方体囊泡，溶液中的二维材料以及药物载体等功能。.项目实施过程中共发表论文SCI论文100篇，其中Nature 1篇，Nat. comm. 3篇，Sci. Adv. 1篇，J. Am. Chem. Soc. 6 篇, Angew. Chem. Int. Ed. 6篇, Adv. Mater. 11篇, Chem. Rev. 1篇, Chem. Soc. Rev. 1篇。.项目团队成员多次受邀，在超分子，手性、纳米科技以及相关学科的国内外会议上做邀请报告20余次。培养博士研究生24名，硕士研究生2名。