功能分子在表界面的自组装在超分子化学中非常重要。尤其是有序的二维网格在许多领域具有潜在应用,例如在分子水平固定和分离功能客体单元。在表面设计和形成功能分子团簇的规则图案,从科学和技术角度都是有趣的。由于共轭和高对称分子结构,Coronene被看作是石墨烯的较小片段,是分子马达基本单元的合适选择体。由于独特的电子性质,如电子在外侧六个苯环离域,Coronene团簇和聚集体被认为是电子器件中重要的碳基材料。团簇不仅需要较大的网格空腔,团簇和基底之间较强的相互作用使得这种结构很难在表面构筑。在表面制备Coronene分子团簇很少有工作报道。最近,曾庆祷课题组取得了一系列的研究成果(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 21095-21100;Nanoscale, 2016, 8, 11962-11968)。非共价键作用力被广泛用于构筑二维组装网格结构,用作模板固定或者隔离分子陇,团簇或者分子颗粒,以及更复杂的多组分聚集体。在室温条件下,受到环境影响柔性网格容易发生构型变化。但是,柔性网格能够对于含共轭结构的平面分子或者球状结构的富勒烯具有较高选择性。超分子网格的多样性不仅能够作为模板吸附客体分子,也可以形成功能分子聚集体。
在室温条件下,曾庆祷课题组在HOPG表面通过HPB形成的二维网格的结构变化,制备得到了规则的Coronene团簇。HPB能够在气固界面形成稳定的雪花状网格结构,当Coronene分子引入到体系中,HPB网格转变成蜂窝状结构,COR六聚体吸附在空腔中。在单分子水平上用STM观察到HPB和HPB/Coronene的组装行为。密度泛函理论计算表明,结构转变和吸附在能量上是稳定的。所以,HPB形成的空腔结构可以用来固定功能分子团簇,制备有序的单分子层,得到复杂的超分子表面结构。从理论和实验角度讲,该体系自组装体的结构变化,对于客体的加入制备功能分子阵列具有非常重要的意义。该工作“Formation of Ordered Coronene Clusters in Template Utilizing the Structural Transformation of Hexaphenylbenzene Derivative Networks on Graphite Surface”已发表在ACS Nano 2016, 10, 342-348。文章链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b06666。
图:利用HPB分子在石墨表面结构转换模板形成有序的分子团簇
该工作得到了国家重点研发项目和自然科学基金的支持。