游效曾院士经典著作：分子材料——光电功能化合物

游效曾，中国科学院院士，我国著名无机化学家、化学教育家，南京大学教授、博士生导师，获得国家自然科学奖二等奖，奖项名称叫“光电功能配位化合物及其组装”，它的科研贡献意义重大，为从分子水平上建立具有我国特色的配位化学研究探索了一条新路。

本期，小编节选了游效曾院士著《分子材料——光电功能化合物（第二版）》中的部分内容，深切缅怀先生。这是一部介绍光电功能化合物这一备受国内外关注的“分子材料”的基础及进展的著作。

人们常根据物质的存在形式从简单到复杂，从微观到宏观地将其粗分为下列一些层次，并从不同的学科角度进行研究：夸克和胶子→中子、质子→微观原子核→原子（原子核、核旋转的电子）→分子→超分子→聚集体（纳米）→固体（生物和无定形），经过长期演化后形成更大的宏观体系和复杂的生命。

一般化学和生物学重点研究分子体系的合成、结构及其性质，而物理学则侧重研究这些体系的光、热、磁等的运动形式及其相互转换，材料学则偏重研究这些物质的不同层次体系的制备、结构和应用。“材料”（materials）这个名词在字典中可简单地认为是有用的物质（substances）。

目前应用最多的材料也是按照化学上的定比定律定义为由一定化学组分的原子或分子为基块所组成的固体材料。早期的原子基固体物理和固体化学主要以长程有序点阵结构的晶体为研究对象，其特点之一是每个特定原子周围有较为明确的最邻近原子数z，化学上通常称它为配位数。这一观点也已为固体物理学家所接受。特别是其中“共价键”为物理学家判断固体的基本多维结构提供了坚实的基础.例如,对于原子基的二元AB化合物半导体GaAs材料的晶体，其中每个原子的z＝４,它们之间就是共价键。后来发现非整数原子的非化学计量（如A_2-x,B_2+x）的物质合成，为实用的光、电、热、磁等功能材料提供了更多的空间。

对于分子基的低维（1D和2D ）到三维（3D）的晶体，其中不仅在分子中存在简单的共价键或离子键，而且还有其他金属键或范德华键，还存在分子间的有方向性超分子作用。所以它们的实际化学分子结构及其所组装的固体结构更为复杂。一般难于形成一维到三维的空间有序的晶体结构。这也是聚合物或生物分子体系难于获得有序单晶的原因。但毕竟化学家也结合了包括X光衍射等物理光谱、能谱、质谱等方法，提供了大量包括DNA、C₆₀、纳米管结构的信息。荧光素等分子化合物及其固体的微观结构，为固体物理提供了大量的空间几何结构。

纳米层次是联系微观和宏观的一个重要层次。它可以采用对宏观固体经过自上而下（或经过微米），也可以从溶液中的微观分子由下而上的方法制备和控制纳米尺寸材料或器件，从而导致其性质和功能的变化。目前对于溶液纳米微晶的合成和结构的研究受到人们的关注。生长出不同大小、形状和不同组分的纳米材料为以无机半导体为核心，有机分子附着在其表面纳米离子（有时也称其簇状纳米粒子为“人造原子”），其结构（1D-3D）可控和易于加工，在3D有序的光子晶体等光电器件方面有新的应用潜力。又如，在涉及集体效应的非线性光学多重波混频性质的光折射效应时，就要了解每个孤立分子和光场或电场的相互作用。

在对材料的器件进行设计时，一般常是按照相互关联的两个步骤进行，即鉴别或构思所需功能的分子设计；再进一步根据实际目标由分子建筑块组装成一定宏观结构的材料工程，进而根据实际需要达到可以被控制加工，取向有序工艺，从而创造成器件。典型的非线性光学材料就是采用这种处理方式。

已经应用有机分子组装了一系列光电材料及分子光电器。在分子聚合物中，除了典型的有机聚合物（也称为高分子）外，还有新近发展的配位聚合物，也常称为金属有机框架（MOF）化合物。它是由金属离子和有机桥联配体通过配位键而形成的一类化合物。它们可能具有一维、二维、三维的新型网状或多孔的空间结构。这种含有金属离子ｄⁿ或ｆⁿ轨道电子构型的无机和有机杂化材料具有易于进行分子设计而呈现光、电、热、磁等多功能特性。

目前对于多功能光电材料的研究受到化学和物理学家的重视，追求一种能将磁性和导电性融合于同一相中的材料在信息材料及理论研究中有所突破。在化学上，采用无机和有机杂化材料进行组装是一种很好的策略。例如，已经制备了顺磁性／超导体、反磁性／超导等多功能杂化体系。新近又合成了一种单分子磁体／电导体的多功能材料。在生物体系中，已经应用不同形式的氨基酸、蛋白质和DNA等分子通过自下而上的分子组装及识别方法设计了一系列具有光电开关及传感功能的分子及机器。但目前仍处于基础研究，期望有朝一日可以克服长期的进化过程而用人工分子设计和组装的方式于分子机器甚至工厂。

从新型有机-无机杂化材料合成的多样性中可以设想，在未来智能材料的设计和组装中有可能心到事成的构筑出能对外界光、电、热、磁及力学等（或刺激）做出及时响应，适应外界环境，有自我修复，或在生命周期结束时自我损坏等材料。这就为智能材料开辟了一个新领域。

在喷墨打印技术基础上，新近发展的三维打印技术得到发展。其充分发挥了不同的分子材料或固体组分作为“墨水”分别在低温或高温下，经过计算机辅助设计（CAD）模型和格式转换技术后，原则上几乎可以制造各类产品。在物理科学中，对于非晶态（化学上常称为无定形，材料科学也称为玻璃体），过去只进行了很少的研究，实际上目前对于这种短程有序的无机玻璃和有机、聚合物以及配位化合物所形成的分子基体系也日益受到重视。早期的学者具有“对于玻璃态中的原子排列，我们实际上是什么也不知道”的悲观情绪。现在，已经从定域的短程有序“化学键”的观点，结合各种物理模型及理论和方法，我们已经看到了如何处理非晶态的曙光。特别是借助于能带概念，从对简单的金属无规密堆积、无机共价键玻璃的均匀连续-无规模型到适于分子聚合物的无规线团模型都得到了应用。

本文摘编自游效曾著《分子材料——光电功能化合物（第二版）》第18章，内容有删减。

《分子材料： 光电功能化合物》是一部介绍光电功能化合物这一备受国内外关注的“分子材料”的基础及进展的著作，着重从结构化学、凝聚态物理、材料和分子生物学相互渗透的观点，结合高校教学和科研基础，深入浅出地对当前高新科学技术中光、电、磁、热等物理功能分子材料分章进行介绍，其中包括分子材料的物理研究方法、分子光电材料的制备、分子导体、分子磁体、介电体和介磁体、极化作用和多铁性、非线性光学材料、光的吸收和光致发光、电致发光、机械化学发光和发电、颜色和热致变色、电致变色、光致变色、分子光电体系的组装、分子纳米体系及其膜层体系、光伏效应和有机太阳能电池等内容。

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