前言

第一章 緒論

1.1 前言

奈米科學在二十一世紀扮演著重要地位，隨著科學研究進步，奈米科學已成 為生活中不可或缺的一部分了。然而，物質在奈米尺寸下會有不同於巨觀的物理、

化學以及生物方面的性質，使得奈米科學研究在近幾年內蓬勃發展，其中超分子 凝膠（supramolecular gels）為奈米科學中最引起科學家興趣的研究之一。超分子 化學有別於傳統化學的共價鍵結方式，取而代之的是非共價鍵作用力。

超分子化學乃分子組合與分子間鍵結的化學，藉由組合兩種或兩種以上的組 合分子構成具有特定構造和功能的一種化學。分子自組裝是超分子化學的衍生，

最初是實驗室化學家的好奇心。^1,2近年來，分子自組裝的研究在各學科間已趨於 成熟，有益於生物和材料科學上。^3,4當分子與某些特定結構自組裝，產生超分子 結構可以固定大量溶劑，導致溶劑凝膠化，這類分子可以用來包覆有機溶劑和水 溶劑。近年來，這方面的研究已經由化學家和材料科學家延伸到各式各樣的軟質 材料上。許多文獻都報導過凝膠的外觀及機制，不同種類的凝膠，以及他們的應 用。其基本原理是：凝膠的結構特色、溶劑和非共價作用力的影響、凝膠的性質 和特性。凝膠屬於軟性、不流動材料，源自於凝膠分子和多個芳香環的-單元連 接，例如：naphthalene，anthracene，pyrene 等或是共軛系統，例如：

p-phenyl-enevinylenes，p-phenyleneethynylenes，thienylenevinylenes 等。然而，-共軛分子也廣泛應用在電子元件，例如：場效電晶體（FETs）、有機發光二極體

（OLED）、有機發光電晶體（OLETs）和感應器（sensor）等。^5,6,7凝膠化學已被 確認其利用分子自組裝至微米或奈米尺寸創造超分子結構。然而，分子的選擇在 結構設計上扮演重要的角色，可以用來控制形狀和大小。

1.1.1 凝膠的定義

1861 年，Thomas Graham 對凝膠有了初步的描述。⁸1926 年，Dorothy Jordon

2

Lloyd：「凝膠是容易被辨識但卻不容易被定義的。」⁹凝膠的特色就是其介於固 態與液態間的型態，以巨觀的角度來看，有機凝膠中溶劑因侷限在凝膠分子所形 構成的三維網狀結構中而無法流動；以微觀的角度而言，這些有機溶劑仍然具有 一定的流動性，許多新穎的功能性便可依此性質加以設計。^10,11但最經典也最貼 切的定義莫過於Dorothy Jordon Lloyd 所說的「如果它看起來像是果凍（Jello），

那它一定就是凝膠Gel）。」⁹ 1.1.2 凝膠與溶劑

溶劑的性質在凝膠過程是一個重要的因素。例如：極性、官能基、疏水作用 力和黏度等，皆會影響形成凝膠的性質。凝膠分子-溶劑和凝膠分子-凝膠分子作 用力的平衡，由溶劑性質和溫度決定。^12,13,14溶劑在自組裝的過程¹⁵和形成凝膠

過程¹⁶中扮演重要的角色。凝膠分子在勻相溶液中，溶劑必須有能力去競爭分子

間的作用力，然而，大部分的例子中，非極性或低極性碳氫溶劑，被發現較適合 用來形成凝膠 (圖 1.1)。^17,18

圖1.1、低分子量膠凝自組裝為一維聚集並隨後產生纏結網絡的示意圖。¹⁸ 1.1.3 凝膠的形成

超分子凝膠生成的過程中，先由單一小分子經由分子辨識和自組裝過程成一

維聚集結構，例如：纖維狀、絲狀、片狀和球狀；藉由非共價鍵形成3D 結構，

例如：氫鍵作用力 (hydrogen bonding)、金屬共價鍵 (metal coordination)、凡得 瓦力 (van der Waals interactions)、-作用力 (- stacking interactions)以及親疏

3

水性的相互作用（hydrophobic and hydrophilic interactions) (圖 1.2)。¹⁹

圖1.2、超分子凝膠示意圖。¹⁹ 1.1.4 凝膠的分類

凝膠主要是由分子形成的三維網狀結構和填充在結構中的間隙之介質所構 成，介質可以是氣體或是液體，但是一般以液體居多。若介質為氣體，則稱為氣 凝膠 (aerogel/xerogel)。液體又分為水及有機溶劑兩類，以水為介質的稱為水凝 膠 (hydrogel)，大部分的天然凝膠皆為水凝膠；以有機溶劑為介質的稱為有機凝 膠 (organogel)。而依據其組成，分為超分子凝膠 (supramolecular gelator)跟聚合 物凝膠 (macromolecular gelator)兩種 (圖 1.3)。而本實驗室主要研究方向以有機 凝膠為主，接下來我們將進行一系列的有機凝膠分類。

圖1.3、凝膠分子的分類。

4