分子器件与分子机器 纳米世界的概念和前景 原著第2版PDF电子书下载

第1部分 基本概念 1

第1章 概述 2

1.1 分子水平的器件和机器 2

1.2 纳米科学与纳米技术 3

1.3 超分子（多组分）化学 5

1.4 “化大为小”的方法 8

1.5 “积小为大”的方法 8

1.6 “积小为大”分子的堆积 9

1.7 自组装和共价合成的设计 12

1.8 能量与信号 12

参考文献 13

第2章 通过分子和超分子体系传递能量和信号 19

2.1 概述 19

2.2 分子电子学 20

2.3 分子光子学 22

2.4 分子离子学 23

2.5 分子电子光子学 25

2.5.1 溶液系统 25

2.5.2 固态 26

2.6 分子电子化学离子学 26

2.7 分子光电子学 28

2.7.1 均相系统中的光诱导电子转移 28

2.7.2 非均相系统中光诱导的电荷的产生 29

2.8 分子光化学离子学 29

2.8.1 光子的释放或吸收 30

2.8.2 金属离子的释放 30

2.8.3 阴离子的释放 31

2.8.4 分子的释放 31

2.8.5 构型的变化 32

2.9 分子化学光子学 32

2.10 分子化学电子学 33

2.11 多输入／过程 33

2.11.1 两种有序的化学输入和一个光输入产生的光发射 34

2.11.2 平行的两个电化学输入产生一个有序的化学和光子的过程 34

2.11.3 光输入产生并行和串行的过程 34

参考文献 36

第2部分 用于处理电子和能量的分子器件 41

第3章 光激发的电子和能量转移的基本原理 42

3.1 分子和超分子光化学 42

3.1.1 分子光化学 42

3.1.2 超分子光化学 44

3.2 电子传递 45

3.2.1 Marcus理论 46

3.2.2 量子力学理论 48

3.2.2.1 电子因子 48

3.2.2.2 核因子 50

3.2.2.3 光电子转移 50

3.3 能量转移 51

3.3.1 库仑机理 51

3.3.2 交换机理 52

3.4 桥基的作用 53

参考文献 55

第4章 导线及相关体系 58

4.1 概述 58

4.2 导电率的测量方法 59

4.3 电极上的电子转移过程 60

4.4 基于光诱导电荷分离的线型体系 61

4.4.1 概述 61

4.4.2 双体、三体和更大的体系 61

4.4.3 含有金属络合物的共价连接的体系 63

4.4.4 包含卟啉的共价连接体系 67

4.4.5 基于有机化合物的共价相连体系 71

4.4.6 DNA及相关体系 74

4.5 非均相的光诱导的电子转移 75

4.6 能量传递 76

4.6.1 含有金属络合物的共价连接体系 76

4.6.2 包含卟啉的共价键合体系 81

4.6.3 基于有机化合物的共价相连的体系 82

4.6.4 DNA及其相关体系 84

参考文献 85

第5章 分子开关中的电子转移和能量传递过程 94

5.1 概述 94

5.2 开关电子转移 95

5.2.1 光输入 95

5.2.1.1 长寿命开关 95

5.2.1.2 快速和超快速开关 99

5.2.2 氧化还原插入 103

5.2.3 酸碱输入 104

5.2.4 其他因素 107

5.3 开关能量传递 107

5.3.1 光输入 108

5.3.2 氧化还原插入 110

5.3.3 酸-碱插入 111

5.3.4 其他因素 112

参考文献 114

第6章 光收集天线 119

6.1 概述 119

6.2 天然天线系统 120

6.3 树枝状分子 122

6.3.1 基于卟啉的阵列和树枝状分子 123

6.3.1.1 卟啉基阵列 123

6.3.1.2 树枝状分子 126

6.3.2 含金属络合物的树枝状分子 128

6.3.2.1 金属络合物作为核的体系 128

6.3.2.2 金属络合物作为分支中心的体系 130

6.3.3 基于有机发色团的树枝状分子 133

6.3.3.1 聚芳醚树枝状分子 133

6.3.3.2 苯乙炔树枝状分子 133

6.3.3.3 聚亚苯基和低聚（对亚苯基次亚乙烯基）树枝状分子 135

6.3.4 主-客体系统 135

6.3.4.1 主体有机分子系统 137

6.3.4.2 主体金属离子体系 138

6.4 其他系统 141

6.4.1 多发色团的环糊精 141

6.4.2 酞菁 142

6.4.3 方形金属超分子 142

6.4.4 轮烷 142

6.4.5 沸石 142

6.4.6 聚电解质 143

6.4.7 聚合物 144

6.4.8 生物结构的自组装 145

参考文献 145

第7章 太阳能转化 151

7.1 简介 151

7.2 自然界的光合成 153

7.2.1 概述 153

7.2.2 细菌的光合作用 153

7.2.3 光合系统Ⅱ 156

7.3 人工的光合作用 158

7.3.1 概述 158

7.3.2 氢经济 158

7.3.3 水的光化学分解 159

7.3.4 人工天线和反应中心组装单元的结合 160

7.3.4.1 简介 160

7.3.4.2 有机化合物和卟啉体系 162

7.3.4.3 金属络合物体系 166

7.3.5 多电子氧化还原过程与单光子电荷分离过程的结合 167

7.3.5.1 概述 167

7.3.5.2 氧气释放中电子与质子转移 168

7.3.5.3 其他体系 171

7.3.6 组装方案 171

7.3.6.1 概述 171

7.3.6.2 自组装 171

7.3.6.3 双层膜 173

7.4 掺杂体系 173

7.4.1 掺杂的光合反应中心 173

7.4.2 光向质子驱动力的转换 174

7.4.3 三磷酸腺苷（ATP）的光驱动产生 175

7.5 通过光电化学电池将光能转换为电能 176

参考文献 179

第3部分 存储器、逻辑门和相关体系 185

第8章 双稳态和多稳态体系 186

8.1 概述 186

8.2 能量激发 187

8.2.1 光子激发：光致变色体系 187

8.2.2 电子激发：电致变色体系 190

8.3 双稳态体系 191

8.3.1 主-客体相互作用模型 191

8.3.2 荧光开关 192

8.3.3 手性光开关 192

8.3.4 光化学生物分子开关 194

8.3.5 氧化还原开关 196

8.3.6 其他体系 197

8.4 多稳态体系 197

8.4.1 双-多光致变色超分子体系 197

8.4.2 伴随其他刺激的光化学输入 199

8.4.2.1 三态体系：写—锁—读—解锁—擦除过程的循环 199

8.4.2.2 光化学-电化学的联合刺激 202

8.4.2.3 光化学与（酸-碱）联合刺激 205

8.4.3 多电子氧化还原过程 208

8.4.3.1 具有相同氧化还原单体的体系 209

8.4.3.2 具有不同氧化还原单体的体系 211

8.4.4 电化学输入与化学输入的联合使用 216

8.4.5 多种化学输入 218

参考文献 219

第9章 逻辑门和逻辑电路 229

9.1 概述 229

9.1.1 基于电子学的信息处理 229

9.1.2 生物学信息处理 229

9.1.3 化学电脑 230

9.2 逻辑门的基本概念 230

9.3 作为逻辑门的分子开关 232

9.3.1 输入／输出信号 232

9.3.2 重新组合、叠加及综合 234

9.4 基础逻辑门 235

9.4.1 YES和NOT门 235

9.4.2 OR和NOR门 236

9.4.3 AND和NAND门 237

9.4.4 XOR和XNOR门 240

9.4.5 INH门 241

9.5 组合逻辑电路 242

9.5.1 EnOR和EnNOR 242

9.5.2 其他功能 243

9.5.3 分子开关之间的信号交流 244

9.5.4 半加法器和半减法器 246

9.5.5 全加法器和全减法器 249

9.5.6 2-to-1分子数字多路器 253

9.6 时序逻辑电路 254

9.6.1 分子存储器 255

9.6.2 分子键盘锁 257

9.7 神经中枢型体系 259

9.7.1 本征阈值机制控制下的XOR逻辑体系 259

9.7.2 感知器型电路 261

9.8 生物逻辑器件 262

9.9 非均相体系 264

9.10 分子逻辑的应用 266

9.11 结论 268

参考文献 269

第4部分 分子水平上的器件、机器、马达 277

第10章 基本原理 278

10.1 概述 278

10.2 生物分子机器及布朗运动 279

10.3 人造系统 280

10.3.1 术语和定义 281

10.3.2 机械装置 283

10.3.3 机器 283

10.3.4 马达 284

10.4 能量供应 284

10.4.1 化学能 285

10.4.2 光能 286

10.4.3 电化学能 286

10.5 其他特征 287

10.5.1 运动的类型 287

10.5.2 控制与监测 287

10.5.3 复原 287

10.5.4 时标 287

10.5.5 功能 288

参考文献 288

第11章 自发的类机械运动 291

11.1 概述 291

11.2 转子 291

11.3 钝齿轮 292

11.4 齿轮 292

11.5 叶轮 294

11.6 十字转门 295

11.7 闸 296

11.8 棘轮 297

11.9 陀螺烷与罗盘 298

11.10 其他运动 299

参考文献 300

第12章 与开关及换位相关的运动 302

12.1 概述 302

12.2 变构运动 302

12.2.1 变构酶 302

12.2.2 人工变构体系 303

12.3 镊子和叉子 305

12.3.1 镊子 305

12.3.2 叉子及相关体系 307

12.4 主客体体系的控制组装与分解 308

12.4.1 引言 308

12.4.2 光诱导的过程 310

12.4.3 氧化还原诱导的过程 313

12.4.4 化学诱导过程 316

12.5 分子锁 317

12.6 金属离子的移位 317

12.6.1 氧化还原驱动的过程 318

12.6.2 酸-碱驱动的过程 319

12.7 离子通道 320

12.7.1 自然界中的离子通道 320

12.7.2 天然质子泵 321

12.7.3 人造离子通道 323

12.7.3.1 概述 323

12.7.3.2 天然通道模型的修饰 323

12.7.3.3 基于生物聚合物的离子通道 324

12.7.3.4 合成的离子通道模型 324

参考文献 327

第13章 DNA纳米机器 336

13.1 引言 336

13.2 DNA的重要性能 336

13.2.1 单链与双链DNA的结构与性质 336

13.2.2 DNA多组分纳米结构的构造 338

13.2.3 DNA纳米机器的表征方法 340

13.3 简单的构象转变 340

13.3.1 缠绕机 340

13.3.2 镊子 341

13.3.3 其他体系 343

13.4 步行机以及相关的体系 344

13.5 旋转器件 347

13.6 应用 348

参考文献 351

第14章 线性运动 354

14.1 概述 354

14.2 天然线性马达 354

14.3 穿梭-脱梭运动 356

14.3.1 概述 356

14.3.2 化学驱动的运动 358

14.3.2.1 基于金属-配体键的系统 358

14.3.2.2 基于氢键和静电相互作用的系统 359

14.3.2.3 基于给体-受体相互作用的系统 360

14.3.3 电化学驱动的运动 362

14.3.4 光化学驱动的运动 366

14.4 轮烷的线性运动 369

14.4.1 概述 369

14.4.2 化学驱动的运动 371

14.4.2.1 基于金属络合物的轮烷 371

14.4.2.2 基于氢键和给体-受体相互作用的轮烷 371

14.4.2.3 基于葫芦脲的轮烷 375

14.4.2.4 基于环糊精的轮烷 376

14.4.2.5 其他体系 376

14.4.3 电化学驱动的运动 376

14.4.4 光化学驱动的运动 380

14.4.4.1 基于金属络合物的轮烷 380

14.4.4.2 基于光致异构化反应的体系 381

14.4.4.3 基于光诱导的电子转移的系统 382

14.4.5 允许／阻止环运动 386

参考文献 389

第15章 旋转运动 400

15.1 概述 400

15.2 天然旋转马达 400

15.3 杂化旋转马达 402

15.4 人造系统中的旋转运动 403

15.4.1 化学驱动过程 405

15.4.1.1 围绕碳碳单键的旋转 405

15.4.1.2 轮烷和索烃中的环转换过程 407

15.4.1.3 夹心型化合物中围绕金属离子旋转的控制 410

15.4.2 电化学驱动过程 412

15.4.2.1 轮烷中的环转换过程 412

15.4.2.2 索烃中的环转换过程 413

15.4.2.3 夹心型化合物中围绕金属离子旋转的控制 417

15.4.3 光化学驱动过程 417

15.4.3.1 围绕碳碳双键的定向旋转 417

15.4.3.2 锁烃的环开关过程 421

15.4.3.3 索烃的单向环旋转 422

参考文献 427

第16章 从溶液到非均相体系 433

16.1 概述 433

16.2 表面上的旋转马达 433

16.3 分子阀 436

16.4 分子肌肉 438

16.5 STM驱使的分子运动 439

16.6 掺杂的生物纳米器件 440

16.7 驱动的微米级物体 441

16.8 改变表面性能 443

16.9 表面上的线性和互锁式化合物 443

16.10 固态器件中的互锁化合物 449

参考文献 453

第5部分 科学和社会 459

第17章 我们这个时代的科学地位 460

17.1 概述 460

17.2 科学永无止境 460

17.3 一个脆弱的世界 460

17.4 一种不可持续的增长 461

17.5 一个不平等的世界 462

17.6 科学家的角色 462

17.7 结论 464

参考文献 465

附录 466

术语表 466

缩略语 480

主题索引 484