分子器件与分子机器 通向纳米世界的捷径PDF电子书下载

目录 1

第1章　基本概念 1

1.1　分子水平的器件和机器 1

1.2　器件和机器的微型化 2

1.3 “化大为小”的方法 2

1.4 “积小为大”的方法 3

1.4.1 “积小为大”原子的堆积 4

1.4.2 “积小为大”分子的堆积 5

1.5　超分子（多组分）化学 6

1.5.1　大分子和超分子体系的比较 8

1.5.2 自组装和共价合成的设计 9

1.5.3　超分子化学，艺术和纳米技术 9

参考文献 12

第1部分　用于处理电子和能量的器件 17

2.1　概述 18

第2章　电子转移和能量传递的基本原理 18

2.2　光诱导的电子转移和能量传递过程 19

2.2.1 电子转递 19

2.2.1.1 电子因素 20

2.2.1.2　核因素 20

2.2.2　能量传递 21

2.2.2.1　库仑机理 22

2.2.2.2　交换机理 23

2.2.3　桥基的作用 25

参考文献 26

第3章　导线及相关体系 29

3.1　概述 29

3.2　导电率的测量 29

3.3　电极上的电子转移过程 31

3.4　光诱导的电子转移 32

3.4.1　含有金属络合物的共价连接体系 32

3.4.2　基于有机化合物的共价相连体系 34

3.4.3　含有卟啉的共价连接体系 36

3.4.4 DNA及相关体系 39

3.5　非均相的光致电子转移 41

3.6　能量传递 42

3.6.1　含有金属络合物的共价体系 42

3.6.2　基于有机化合物的共价体系 45

3.6.3　含有卟啉的共价体系 48

3.6.4 DNA及相关系统 50

参考文献 50

第4章　分子开关中的电子转移和能量传递过程 58

4.1　概述 58

4.2　开关电子转移 59

4.2.1　光输入 59

4.2.1.1　长寿命开关 60

4.2.1.2　快速和超快速开关 62

4.2.3　酸-碱输入 69

4.2.2　氧化还原输入 69

4.2.4　其他因素 74

4.3　开关能量传递 74

4.3.1　光输入 74

4.3.2　氧化还原输入 77

4.3.3　酸-碱输入 79

4.3.4　其他因素 80

参考文献 82

5.1　概述 87

第5章　光收集天线 87

5.2　天然天线系统 88

5.3　卟啉基阵列 89

5.4　多发色团的环糊精 93

5.5　树枝状分子 93

5.5.1　含金属络合物的树枝状分子 94

5.5.1.1　金属络合物作为核的体系 94

5.5.1.2　金属络合物作为分支中心的体系 97

5.5.2　基于有机发色团的树枝状分子 98

5.5.3　含卟啉的树枝状分子 103

5.5.4　主-客体体系 106

5.5.5　光诱导电子转移 109

5.6　其他体系 110

5.6.1　聚合（高分子）电解质 110

5.6.2　聚合物 111

5.6.3　轮烷 111

5.6.4　沸石 112

参考文献 113

第6章　光致电荷分离和太阳能转化 120

6.1　概述 120

6.2 自然界的反应中心 121

6.2.1　引言 121

6.2.2　细菌的光合作用 121

6.2.3　光合系统Ⅱ 124

6.3.1　引言 125

6.3　人工反应中心 125

6.3.2　二元体 126

6.3.3　三元体 127

6.3.4　四元体和五元体 133

6.3.5　天线反应中心体系 136

6.3.5.1　基于卟啉的阵列 136

6.3.5.2　双层膜 140

6.3.5.3　自组装单分子层 140

6.3.5.4　层状组装体和沸石 140

6.3.6　造氧体系 141

6.4　杂化体系 144

6.4.1　质子驱动的光转化 144

6.4.2　光驱动合成ATP 145

6.5　人工太阳能转化 146

6.5.1　光转化为燃料 146

6.5.2　光转化为电 149

参考文献 151

第2部分　存储、逻辑门和相关体系 159

第7章　双稳态体系 160

7.1　概述 160

7.2　光致变色体系 161

7.3　主-客体相互作用模型 163

7.4　荧光开关 165

7.5　手性光开关 166

7.5.1　空间位阻很大的烯烃 168

7.5.2　二噻吩乙烯 168

7.6　光化学生物分子开关 169

7.7　电致变色体系 171

7.8　氧化还原开关 173

7.9　其他系统 174

参考文献 174

8.1　概述 180

8.2　双光致变色超分子体系 180

第8章　多态-多功能体系 180

8.3　伴随其他刺激的光化学输入 182

8.3.1　三态体系：写—锁—读—解锁—擦除过程的循环 182

8.3.2　光化学-电化学的联合刺激 185

8.3.3　光化学与（酸-碱）联合刺激 188

8.3.4　分子转移寄存器 191

8.4　多电子氧化还原过程 196

8.4.1　具有相同氧化还原单体的体系 197

8.4.2　具有不同氧化还原单体的体系 200

8.5　电化学输入与化学输入的联合使用 204

8.6　多种化学输入 206

参考文献 206

第9章　逻辑门 212

9.1　概述 212

9.2　逻辑门的基本概念 212

9.3　作为逻辑门的分子开关 214

9.4　基本逻辑门 215

9.4.2 NOT门 216

9.4.1 YES门 216

9.4.3 OR门 217

9.4.4 AND门 218

9.4.5 NOR门 219

9.4.6 NAND门 219

9.4.7 XOR门 219

9.4.8 XNOR门 221

9.5　组合逻辑 222

9.5.1 INH逻辑操作 222

9.5.2 ENOR逻辑操作 223

9.5.3　半加法器 223

9.5.4　三态、三输入、两输出的分子开关 226

9.6　神经中枢型体系 227

9.6.1　本征阈值机制控制下的XOR逻辑体系 227

9.6.2　感知器型电路 229

9.7　分子开关之间的信号交流 230

9.8　基于寡核苷酸的计算 232

9.9　分子基电路 233

9.10　结论 235

参考文献 235

第3部分　分子机器 241

第10章　分子机器的基本原理 242

10.1　引言 242

10.2　分子机器的概念 242

10.3　能量供应 244

10.3.1　化学能 245

10.3.2　光能 246

10.3.3　电化学能 246

10.4.3　复原 247

10.4.2　控制与监测 247

10.4.4　时标 247

10.4.1　运动的类型 247

10.4　其他要求 247

10.4.5　功能 248

参考文献 248

第11章 自发的类似机械的运动 251

11.1　概述 251

11.2　转子 251

11.3　钝齿轮 252

11.4　传动装置（齿链，gear） 253

11.5　叶轮 254

11.6　十字转门 254

11.7　闸 255

11.8　棘轮 256

11.9　陀螺烷与陀螺仪 257

参考文献 258

12.2.1　变构酶 261

12.2　变构运动 261

第12章　与开、关及换位相关的运动 261

12.1　概述 261

12.2.2　人工变构体系 262

12.3　镊子和叉子 264

12.3.1　镊子 264

12.3.2　叉子及相关体系 267

12.4　主-客体体系的可控组装与解离 268

12.4.1　引言 268

12.4.2.1　内包结物 269

12.4.2　光诱导过程 269

12.4.2.2　金属离子的释放 272

12.4.3　氧化还原诱导的过程 273

12.5　蛋白质和DNA中的构象变化 275

12.5.1　蛋白质折叠-展开过程 275

12.5.2　基于DNA的分子机器 276

12.6　分子锁 278

12.7　金属离子的移位 279

12.7.1　氧化还原驱动过程 279

12.7.2　酸-碱驱动过程 280

12.8　离子通道 281

12.8.1 自然界中的金属离子通道 281

12.8.2　天然质子泵 282

12.8.3　人造离子通道 284

12.8.3.1　引言 284

12.8.3.2　天然模板通道的修饰 284

12.8.3.3　基于生物聚合物的离子通道 285

12.8.3.4　合成的离子通道模型 285

参考文献 287

第13章　旋转运动 298

13.1　概述 298

13.2　天然旋转发动机 298

13.3　杂化旋转马达 300

13.4　人造系统中的旋转运动 301

13.4.1　化学驱动过程 301

13.4.2　光化学驱动过程 306

13.4.3　电化学驱动的过程 309

13.4.4　其他效应 311

参考文献 311

第14章　分子穿梭-脱梭运动 315

14.1　概述 315

14.2　化学驱动 317

14.2.1　基于金属-配体键的体系 317

14.2.2　基于氢键和静电作用的体系 318

14.2.3　基于给体-受体相互作用的系统 321

14.3　电化学驱动 328

14.4　光化学驱动 333

14.5　非均相系统 338

参考文献 341

第15章　线性运动 350

15.1　概述 350

15.2　自然界的线性马达 350

15.3.1　引言 353

15.3　轮烷的线性运动 353

15.3.2　化学驱动的体系 355

15.3.2.1　基于金属络合物的轮烷 355

15.3.2.2　基于氢键和给体-受体相互作用的轮烷 356

15.3.2.3　基于葫芦脲的轮烷 359

15.3.2.4　基于环糊精的轮烷 362

15.3.3　电化学驱动的体系 363

15.3.4　光化学驱动的体系 366

15.3.5　展望 372

15.3.5.1　三站点轮烷 372

15.3.5.2　作为传输载体的轮烷 372

15.4　与表面和固载物连接的轮烷 374

15.4.1　表面上固定的光转换轮烷 374

15.4.2　轮烷基电子器件 376

参考文献 376

16.1.1　合成 382

16.1　概述 382

第16章　索烃的运动 382

16.1.2　旋转过程 383

16.1.3　功能化的索烃 386

16.2　化学驱动的运动 389

16.3　电化学驱动的运动 393

16.4　光化学驱动的运动 399

16.5.1　索烃中的单向环旋转 400

16.5.2　轮索烃（rotacatenane）分子齿轮 400

16.5　展望 400

16.6　与表面和固相载体相连接的索烃体系 402

16.6.1　索烃的二维排列 402

16.6.2　基于索烃的固态器件 403

参考文献 406

附录 411

术语表 411

缩略语 424

主题索引 428