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|Epub|txt|kindle电子书版本网盘下载

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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Ⅱ156

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EnNOR242

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