超分子科学丛书--界面组装化学（刘鸣华）

界面是指物质相与相之间交界的区域，存在于两相之间,包括气/液界面、气/固界面、液/固界面、液/液界面、固/固界面五种，习惯上将气相与液相、固相的界面称为表面，如固体表面、液体表面，其他的称为界面，但一般两者可以通用。在我们生活的三维空间，界面无处不在，无时不有。界面化学是研究物质在多相界面上发生的物理和化学过程及其规律的科学。
随着纳米科技和超分子科学的发展，一方面，界面化学为这些新学科的发展奠定了基础；另一方面，这些新的学科发展又为界面化学带来了新的活力。各类表征技术的发展为界面化学的认识深入到分子、原子水平提供了可能，纳米材料的精准合成以及超分子化学的发展加深了对分子取向、分子间非共价相互作用的认识，为界面化学的发展带来了新的机遇。界面有序结构的形成与分子、分子间相互作用以及分子的聚集是密不可分的，而界面层的厚度约为几个分子层到几十分子层，处于分子到纳米的尺度。因此，界面的分子结构、分子取向、分子间相互作用以及分子的有序排列等对发生于界面的物理化学过程起着非常重要的作用。例如生物体中存在的磷脂双层面的界面，与基本生命过程和重要生命现象密切相关，而在实际应用中，界面的分子结构以及排列等对润湿、吸附、分散和催化等更是起着重要的作用。我们研究界面化学，一方面可以从传统的宏观现象如吸附、润湿、毛细管现象等入手，另一方面也可以从分子取向、分子间相互作用以及分子自组装等角度来理解界面科学中的一些行为与规律。本书正是从分子组装的角度来理解部分界面现象的尝试。
本书从分子组装以及界面的特征与界面的分子组装出发，介绍了各类界面的表征技术，然后依次论述了气/液界面的单分子膜与Langmuir-Blodgett膜，固/液界面的自组装单分子膜与层层组装（layer-by-layer, LbL）膜，液/液界面的自组装原理、自组装材料结构和功能应用。纳米材料作为一个重要的组装单元，超越了分子体系，同样可以在各类界面进行组装。因此，我们在本书的最后一章着重介绍了纳米结构在界面的组装。各类界面组装的特点以及应用均包含在各个章节中。我们期望通过本书从分子、超分子以及分子间的非共价键相互作用、纳米尺度组装单元来理解界面组装的发展，从而从一个侧面理解界面化学的进展。
在书稿形成过程中，除了我们课题组的陈鹏磊、张莉和王天宇参加编写外，中科院化学所张贞研究员和青岛科技大学郭宗侠教授还参与了第2章的撰写，湛江师范大学周小勤博士主笔了第6章的撰写。
本书在成稿过程中得到了化学工业出版社的大力支持，获得了国家科学技术学术著作出版基金资助出版，作者借此机会一并表示衷心感谢。
鉴于作者的水平有限，书中可能会有一些不妥和缺欠之处，恳请读者和专家批评指正。

刘鸣华
2020年6月  

刘鸣华，中科院化学研究所研究员, 博士生导师。主要研究方向包括：多层次有序组装结构开展研究，界面组装体的超分子手性研究，基于新型两亲分子的组装，生物分子的组装与功能化，有机凝胶与软物质材料研究。曾多次承担"973"，基金委重点基金，院方向性项目等研究课题。先后任职于日本科学技术厅理化学研究所、东京农工大学、中科院感光化学研究所、中科院化学研究所、中科院基础科学局、国家纳米科学中心、中科院化学研究所等。

本书系统总结了相界面上各种物理化学作用，界面组装体的各种研究手段，界面分子组装的原理、结构、性能及应用，以及界面纳米组装化学。所涉组装体系主要包括气/液界面、固/液界面、液/液界面的分子组装以及纳米组装。图书内容基于作者在界面超分子组装的研究成果与经验，除了阐明基本的组装理念、基本理论和基础知识外，还立足于科学发展的前沿，结合国内外界面组装的新成果，方便读者深入了解界面分子组装的最新进展。
本书可供表界面化学、超分子化学等领域的研究生和科技工作者参考。

第1章 界面组装化学概要	1
1.1 导言：从分子化学到组装化学	1
1.2 界面的定义、分类与特征	5
1.3 界面的物理化学	6
1.3.1 表面张力	6
1.3.2 表面自由能	9
1.4 界面与分子组装	10
1.5 不同界面的组装化学	13
1.5.1 气/液界面的分子组装	13
1.5.2 固/液界面的分子组装	15
1.5.3 液/液界面的分子组装	17
1.5.4 各种界面组装技术的比较	18
1.6 结论与展望	19
参考文献	19

第2章 界面组装体的表征方法	21
2.1 扫描隧道显微镜	21
2.1.1 工作原理	22
2.1.2 STM的基本结构	23
2.1.3 STM的优缺点	24
2.1.4 STM的应用	24
2.2 原子力显微镜	35
2.2.1 工作原理	35
2.2.2 原子力显微镜基本成像模式	36
2.2.3 力曲线的测量	40
2.2.4 AFM的应用	43
2.3 布儒斯特角显微镜	49
2.3.1 工作原理	49
2.3.2 应用示例	50
2.4 衰减全反射红外光谱法	52
2.4.1 ATR技术原理	52
2.4.2 ATR的应用特点	53
2.5 掠入射X射线技术	55
2.6 表面等离子共振	56
2.7 二次谐波与和频光谱	58
2.7.1 基本原理	58
2.7.2 应用	60
2.8 光电子能谱	63
2.9 椭圆偏振技术	64
2.9.1 工作原理	64
2.9.2 椭圆偏振技术的应用	66
2.10 石英晶体微天平	66
2.10.1 工作原理	67
2.10.2 QCM仪器的基本结构	68
2.10.3 QCM在界面化学研究中的应用	68
2.11 接触角	70
2.12 表面力仪	74
2.12.1 基本原理	75
2.12.2 表面力仪应用举例	75
参考文献	77

第3章 气/液界面的分子组装——基于Langmuir-Blodgett技术的界面超分子组装	79
3.1 Langmuir-Blodgett界面组装技术的简明概述	79
3.1.1 Langmuir-Blodgett技术的本征特点	79
3.1.2 本章拟讨论内容的简明要点	82
3.2 LB界面组装技术的理论基础	84
3.2.1 LB界面组装的基础理论	84
3.2.2 LB界面组装的实践	90
3.3 LB界面组装领域的经典研究内容	105
3.3.1 染料类化合物的LB膜及功能化	106
3.3.2 基于LB技术的铁电功能膜材料	130
3.3.3 界面上的化学反应或分子间的相互作用	137
3.3.4 基于Langmuir膜和LB膜技术的仿生膜	146
3.3.5 LB界面组装领域的其他经典研究内容	165
3.4 LB界面组装领域的发展新动向	166
3.4.1 破裂的LB膜	166
3.4.2 LB界面组装体系的超分子手性	167
参考文献	175

第4章 固/液界面的分子组装	185
4.1 固体表面性质	185
4.1.1 固体表面的特点	185
4.1.2 固体的表面张力和表面能	185
4.1.3 固体表面的电性质	187
4.2 固/液界面组装的基本原理——吸附和润湿	187
4.2.1 吸附	187
4.2.2 润湿	190
4.2.3 固/液界面的分子间相互作用	192
4.3 基于化学吸附的固/液界面的分子组装	193
4.3.1 自组装单分子膜	193
4.3.2 基于SAMs的多层膜	208
4.4 基于物理吸附的固/液界面分子组装体	209
4.4.1 层层组装多层膜——分子沉积法	209
4.4.2 两亲分子在固/液界面的聚集	226
4.4.3 极性小分子在固/液界面的选择性吸附——氢键巨簇现象	239
4.4.4 有机单层吸附膜	241
4.4.5 基于去润湿现象的分子组装	243
4.5 各种组装技术的比较	244
4.6 固/液界面组装体的功能	245
4.6.1 固体表面改性	245
4.6.2 在电子和光学器件方面的应用	249
4.6.3 在分离和催化方面的应用	254
4.6.4 在生物医药材料方面的应用	255
4.6.5 作为模板或纳米反应器	261
4.7 小结	263
参考文献	264

第5章 液/液界面的分子组装	267
5.1 引言	267
5.2 液/液界面的基本特性	268
5.2.1 液/液界面张力	268
5.2.2 液/液界面张力的测定	270
5.2.3 液/液界面的形成过程	270
5.2.4 乳状液	271
5.3 液/液界面组装体的表征	272
5.3.1 基于非线性光学的光谱技术	272
5.3.2 拉曼光谱技术	279
5.3.3 全内反射荧光光谱	282
5.3.4 时间分辨准弹性激光散射	284
5.3.5 椭圆偏光	286
5.3.6 布儒斯特角显微镜	288
5.3.7 X射线和中子散射	291
5.3.8 原子力显微镜	294
5.3.9 电化学方法、双电层与电荷转移	297
5.4 液/液界面组装体的结构与功能化	300
5.4.1 表面活性剂在液/液界面的自组装	300
5.4.2 乳状液	302
5.4.3 液/液界面的金属离子与有机物复合物	310
5.4.4 纳米材料在液/液界面的合成与自组装	313
5.4.5 生物大分子在液/液界面的自组装	325
5.5 结论与展望	333
参考文献	333

第6章 纳米材料在界面的有序组装	338
6.1 基于Langmuir的自组装方法	339
6.1.1 纳米材料表面修饰对其在气/液界面组装的影响	340
6.1.2 零维纳米颗粒	346
6.1.3 一维纳米材料组装	351
6.1.4 二维纳米材料	354
6.1.5 纳米材料结构对组装结构的影响	357
6.1.6 浸涂	360
6.1.7 非传统LB组装	362
6.2 蒸发诱导气/液界面组装	365
6.2.1 纳米颗粒	365
6.2.2 纳米棒组装	367
6.2.3 纳米线组装	369
6.2.4 二维材料组装	370
6.3 其他界面组装	373
6.4 自组装纳米材料阵列或膜的性质及应用	375
6.4.1 表面增强拉曼散射（SERS）和偏振	375
6.4.2 电导性质	377
6.4.3 透明导电电极	379
6.4.4 光电响应电子器件	379
6.4.5 智能窗口	382
6.4.6 智能加热器	382
6.4.7 光响应和湿度响应的电导	382
6.4.8 气体传感	384
6.4.9 催化性质	384
6.5 结论	385
参考文献	386

索引	390