下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
在宏观组装过程中，大量的纳米粒子在粒子间相互作用或在外场作用下以特定的方式形成宏观尺度的聚集体。从这一过程出发，宏观组装系统就有以下几个方面的重要内涵。
正如原子是组成物质的基本单元，在宏观组装系统中，纳米粒子就是最基本的“原子”单元。现如今，纳米粒子的种类数量已经远远超过元素周期表中元素的种类数量，表明了通过宏观组装方法设计、制备材料的巨大空间和潜力。
按维度的不同，纳米组装单元可以大致分为零维、一维、二维及三维四种，对称性依次降低。零维纳米组装单元可以被视为具有无穷对称性的球形粒子，如富勒烯、量子点、球形胶体粒子等。一维纳米组装单元包括碳纳米管、纳米线、纳米棒、纳米带等。二维纳米组装单元主要有石墨烯及其衍生物、黏土胶体、过渡金属硫化物、合成二维高分子、纳米片、纳米板。三维纳米组装单元包含各类特异形状和组成的三维粒子，其几何结构与组成造成了破缺的球形对称性，因此不可被视为球形粒子，如纳米锥、纳米笼、纳米异面体等。纳米组装单元的化学组成很广泛，从单质到化合物，从碳质到金属、无机物和合成分子。
面对如此丰富的纳米组装单元，宏观组装不但可以选取单一的纳米粒子，而且可以选取多种具有相同及不同维度、组成、性质的组装单元来实现材料的设计和制备。
随着粒子粒度进入纳米尺度，表界面的原子比例逐渐占优，因此表界面的性质就成为决定性的要素。在“自下而上”的宏观组装过程中，表界面的性质不但决定了单个粒子本身及凝聚体的性质，还决定了组装形成的凝聚结构及组装方法。例如，纳米粒子具有表面能，倾向于聚集形成无序团簇，从而丧失纳米材料的性能优势。确保纳米粒子的单分散一直是宏观组装的前提，一般可以通过表面改性来实现。通过纳米粒子表面的化学官能团修饰改性，增强与溶剂的溶剂化作用，引入静电斥力相互作用，抑或表面接枝长链分子，引入体积排斥作用，从而达到纳米粒子在溶剂中均匀分散的效果。改性接枝可以让纳米粒子的分散体系由水相到油相自由转换，还能够调节与其他物质间相互作用的大小，从而设计与调控宏观组装体的结构和性能。
从统计热力学来看，宏观组装过程的自由能（包括焓及熵）的变化决定了所设计的组装结构是否能够自发形成。在非平衡条件下，调节环境与外场作用可以控制宏观组装过程的自由能，从而让平衡态下热力学禁阻的组装结构得以生成。环境与外场作用在宏观组装过程中尤为重要，因为现实的大多体系都是远离平衡态的。环境与外场作用的调控方式多变，为宏观材料的结构设计与性能调控提供了丰富的手段。常见的环境与外场作用主要有界面作用（如油水界面、气液表面、固体表面等）、可控流动（如微流控设计、定向流动等）、电磁场控制、应力场、光控作用等，不胜枚举。
宏观组装体结构的主要特点在于其跨越尺度大、层次多，表现出较强的复杂性。宏观组装体结构可以逐级展开：从组装单元的原子及拓扑结构出发，跨过组装单元间的界面作用，再到具有局域化特征的初级结构，最后形成宏观尺度上的高级结构。多级多层次的结构特点赋予了宏观组装体丰富且复杂的性能，例如电学性能跨越了绝缘体、半导体及导体，力学性能从高强高模到柔性可拉伸等，其涵盖了广阔的材料范畴。宏观组装体多级多层次结构的解析以及与性能间构效关系的建立是宏观组装的基础，组装单元、表界面性质以及环境与外场作用的调控提供了实现材料设计的方法与手段。
