自組裝為什么這么火？這可能與2005年Science的一個專輯不無關系

自組裝(self-assembly)得到了前所未有的關注，似乎無所不在；自組裝被賦予了出乎意料的威力，似乎在多個學科領域無所不能。請看，分子可以通過自組裝形成，材料可以通過自組裝制備，表面改性可以通過自組裝實現，細胞可以有望通過自組裝獲得，甚至期待生命體可以通過自組裝產生，等等。為何如此？

探其原因，可能與2005年美國《科學》（SCIENCE）雜志的一個專輯不無關系。

2005年7月，美國《科學》雜志在慶祝創刊125周年之際，發布了當今世界最具挑戰性的125個科學問題。 其中的25個科學問題又被列為重大科學問題 (The top 25)，25個重大科學問題的其中之一是“我們能推動化學自組裝走多遠？”(How far can we push chemical self-assembly?)。縱覽化學發展歷史，在過去的100多年里，化學家們利用形成或打斷共價鍵的方法，成功合成了多種結構豐富、性質多樣的化合物。從尺寸和體積上看，不僅有各種各樣的有機小分子，還有由1000多個原子組成的化合物。這些結構和性質多樣的新物質為五彩繽紛的客觀世界增添了新的光彩，為化學創造美好生活做出了重要貢獻。在利用共價鍵的同時，在過去的幾十年里，化學家們還致力于學習和利用非共價鍵，利用弱相互作用，以此構筑新的復雜結構，創造新物質，這些具有非共價鍵的弱相互作用通常包括氫鍵，范德華 (Van der Waals)力，π-π相互作用，偶極作用，靜電作用，親疏水作用等。科學家們利用具有不同弱相互作用的原子/分子或原子/分子集團，納米尺度聚集體、納米材料等“裝配”組合，可以構筑得到具有復雜的或多級的結構集合體。這些材料或集合體具有不同性質，具有潛在的功能。這就是化學自組裝(chemical self-assembly)所包含的基本內容。

通常所述的自組裝，應屬于化學自組裝的范疇。從此意義上講，盡管自組裝并不是萬能的，但確實有其不可替代的作用。通過利用自組裝技術，研究自組裝結構和其性質，可以為創造新物質提供一種新的技術途徑和方法，可以獲得更多的具有特定功能的組裝體系。因此，對化學自組裝的深入研究被提到了科學研究的重要議事日程之上，得到科學家們的高度重視。

化學自組裝或創造新物質的自組裝可以發生在不同環境之中，例如溶液中或固體表面。以固體表面分子組裝為例，存在于溶液中的各種分子或分子聚集體通過吸附可以停留在固體表面，這些分子或分子聚集體會在表面發生自組裝，它們根據分子間相互作用和分子與基底間相互作用的不同會在表面進行結構調整，最終形成穩定的、有層次的、具有特定結構的組裝體系。通過改變外界條件還可以影響分子組裝，可以在一定程度上所產生的結構進行調控獲得新的結構。眾所周知，固體表面改性的一個重要途徑是進行表面修飾。表面自組裝結構的形成將對固體表面性質產生影響，例如改變其浸潤性，耐蝕性，光學和電學性質等。同時利用組裝形成的表面結構，可以實現表面圖案化，對電子、信息等領域具有重要的科學和應用意義。

存在于溶液中的各種分子或分子聚集體根據分子間相互作用和分子與基底間相互作用的不同，會吸附在固體表面，并在表面進行結構調整，最終形成穩定的、有層次的、具有特定結構的組裝體系

固體表面是分子吸附的載體，分子與基底間的相互作用對分子吸附和組裝，結構形成有直接影響。同時，許多重要的化學反應或性能變化都是從材料的表面界面處開始的。例如，工業生產中常見的多相催化在很大程度上取決于催化劑的表面結構及因之決定的化學吸附。電解、電鍍、電池、電催化等都與固/液界面的電荷轉移及電化學反應密不可分。電子科技中的表面處理，納米科技中的檢測表征和器件構筑等眾多研究領域也與固體表面的結構及性質密切相關。研究包含表面結構、電荷傳遞、物質遷移、化學反應及熱力學/動力學過程等諸多內涵的分子組裝和固體表面科學，對包括化學、材料、信息、生命科學在內的多學科研究具有重要價值。

發生在金屬和半導體表面的典型重構現象

(a) Au(111)-( 22×√3)重構模型示意圖, (b) Au(111)-( 22×√3)重構的STM圖像 (掃描范圍：40 nm × 40 nm)

Si(111)-(7×7)重構表面在超高真空中的STM圖像。(a)和(b)分別獲于偏壓-1.5 V和+1.5 V

（A）Si(111)-(7×7)表面重構的二聚體-吸附原子-堆積層錯模型俯視圖，用從小到大的球來表示硅原子離表面的遠近；（B）是對應(A) 的側視圖

本期聯合推薦萬立駿著的《固體表面分子組裝》。萬立駿先生于2005年出版了《電化學掃描隧道顯微術及其應用》（2011年再版）一書。多年來，致力于將電化學STM技術拓展到多領域的研究，技術上也發展成為化學環境下的STM技術，包括大氣、水溶液、有機溶液、氣氛可控等。利用該技術有選擇的系統研究了多個系列的分子表面組裝，現今結集出版的《固體表面分子組裝》是對相關工作的歸納總結。

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