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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Ⅱ124

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ATP145

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