材料技术


晶体工程

前言

晶体学工程是分子工程学的一个重要的组成部分,它涉及分子或化学基团在晶体中的行为、晶体的设计及结构与性能的控制,晶体结构预测,是实现从分子到材料的一条重要途径

什么是晶体工程?

晶体工程是分子工程学的一部分。
它通过研究分子及化学基团的行为,对晶体的结构和功能进行控制,来获得符合人们需求的新的晶体材料,是由分子获得材料的一个新的途径。

原理

(1)分子间的相互作用力包括范德华力及氢键等作用力。最重要的中程相互作用力是范德华力,同时它也是主要的非方向性力;而长程力主要是静电相互作用及氢键,主要是异原子间的相互作用,是有方向性的。氢键是一种非常重要的方向性相互作用力,许多主体组装体是基于氢键相互作用,如HQ(对苯二酚)、尿素等。

尿素分子间的氢键
氢键是一种非常重要的方向性相互作用力,许多主体组装体是基于氢键相互作用,如对苯二酚、尿素等。

(2)此外还要考虑分子间作用力的交互作用。范德华作用与氢键之间的交互作用是包合作用的基础。范德华作用的大小正比于分子的尺度,而氢键的强度正比于给体原子的酸性及受体原子的碱性。环糊精及杯芳烃包合客体分子便是与范德华作用与氢键之间的交互作用有关。

分子 具有特定功能的分子晶体
(注:分子晶体本身可看作由很多分子通过自组装形成的超分子)

自组装膜

自组装单分子膜

通过表面活性剂的头基和基底之间产生化学吸附,在界面上自发形成有序的单分子层,是一种新型的有机成膜技术。
优点:简单易行、结构稳定和不需特殊贵重的仪器。

(1)静电自组装膜

金属配合物聚阳离子和有机聚阴离子形成的静电自组装膜。

(2)共价自组装膜

(3)基于氢键的自组装膜

此外,还有通过电荷转移、主-客体等相互作用制备的自组装膜。


超分子液晶

介绍:超分子液晶是在一定条件下能够以液晶态存在的高分子,是通过分子间作用力形成的一种复合液晶体系。

特点:这种复合液晶体系能够表现出液晶分子行为的同时,比自组装前其液晶结构与性质更加稳定。

分类

  1. 电荷转移(CT)作用组装超分子液晶体系
  2. 离子相互作用组装超分子液晶聚合物
  3. 氢键作用组装超分子液晶
  4. 金属配位组装超分子液晶
  5. 光化学组装合成超分子液晶

应用及发展前景

超分子液晶不仅具有液晶相特有的分子取向有序性,而且与小分子液晶化合物相比,它又具有相对分子质量高的特点,因此有序性和相对分子质量高的结合使高分子液晶具有新的特性。
虽然超分子液晶不适用于作显示材料,但是它具有高强度、高模量、耐高温、低热热膨胀系数、低成型收缩率、低密度,能够广泛地用于航空航天、电子电器、国防工业、光通讯等行业。


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