超分子化学产生于20世纪70年代后期,是基础化学的一门分支学科,它主要研究的是自组装分子也就是超分子或超分子体系的特性。在过去的几年里超分子体系的研究特别是纳米超分子体系所体现出的特殊物理化学性能已成为当代科学与技术发展的热点研究方向。该领域建立在人们对分子识别和分子组装本质认识的基础上,通过操纵超分子构筑单元创造出高级有序的纳米结构,是一门兼具“从上到下”和“从下而上”特征的前沿学科。可以说,纳米超分子化学的发展是超分子科学发展过程中的一次飞跃。利用未经化学修饰的富勒烯分子为电子受体,采用自组装的手段获得超分子结构,不仅使这类超分子在结构原理上更接近于具有实际光合作用功能的天然体系,还可有效地保持富勒烯高对称的三维大π电子结构不受破坏。本论文开展了基于富勒烯的几类聚集体结构的自组装及性质研究,共分为五章:第一章介绍了纳米超分子化学的基本概念、发展历史以及今后对科学技术的巨大影响。分析对比超分子体系的各种作用力的强弱,并且指出超分子组装体形成的驱动力往往不是单一的,多数情况下是以某一种作用力为主,几种作用力协同作用的结果。介绍了纳米自组装技术的特点、动力来源以及纳米制造的方法,最后介绍了富勒烯的超分子化学及其目前的研究方向和本论文的主要内容,通过环糊精包覆制成富勒烯包合物,使富勒烯的碳原子骨架不受破坏,从而继续利用未经化学修饰的富勒烯分子作为电子受体,采用层-层自组装技术与小分子化合物或聚合物作用获得超分子结构,研究其微观条件下的形貌、光学性质等,这是本论文的主要内容。第二章富勒烯本身与钛酸之间没有反应驱动力,但将富勒烯修饰成带有羟基的富勒醇和C₆₀@2β-CD,采用层-层自组装技术,以富勒醇或C₆₀@2β-CD为模板能制备具有“核-壳”结构的二氧化钛复合纳米球。利用羟基和钛酸之间的作用通过调节模板单元的浓度从而控制纳米球的大小,我们比较了富勒醇浓度逐渐增大时所生成的纳米球的形貌,从而选择出最佳实验浓度,所得纳米球直径为80nm。利用X-射线光电子能谱和红外谱图证明纳米球内存在富勒醇,XRD谱图证明生成的富勒醇-TiO₂纳米球和C₆₀@2β-CD-TiO₂纳米球其TiO₂外壳的晶形属于锐钛矿和金红石相,并探讨了富勒醇-TiO₂纳米球和C₆₀@2β-CD-TiO₂纳米球的形成机理。第三章为了得到空心的含富勒烯的纳米球,我们引入了有机分子苝四羧酸制成C₆₀@2β-CD-PTCA纳米粒子,其直径大约为50nm,利用层-层自组装技术以C₆₀@2β-CD-PTCA为模板,制备的C₆₀@2β-CD-PTCA-TiO₂复合纳米球直径大约100nm,经过焙烧得到含富勒烯的空心TiO₂复合球。以前制备的C₆₀@2β-CD-TiO₂纳米球直径只有15nm左右,很难进一步生成和表征空心球。TEM图片显示了苝四羧酸、C₆₀@2β-CD-PTCA、C₆₀@2β-CD-PTCA-TiO₂复合纳米球和空心复合球的形貌。通过对纳米球和空心复合球的热重分析进行比较,证明了焙烧后β-CD和PTCA已分解掉,生成了只含有富勒烯的TiO₂空心球。荧光光谱分析出C₆₀@2β-CD与苝四羧酸溶液混合后,苝四羧酸的荧光瞬间被淬灭,说明C₆₀@2β-CD具有C₆₀原有的荧光淬灭能力,保持了C₆₀完美的碳原子骨架。第四章为了进一步增加富勒烯在水中的溶解度,我们合成了含C₆₀复合物—C₆₀@2β-CD-NH（CH2）2NH2(即C₆₀/β-CDa)。与C₆₀@2β-CD相比,复合物水溶性大大增强。这种复合物上带有四个氨基,通过-NHR（-NH2）与-COOH作用我们研究了它在水中与聚丙烯酸（pAA）自组装的情况,用紫外可见滴定分析二者当官能团-NH2与-COOH以1:1结合时其超分子结合常数为9.8×103 M-1。透射电镜图片证明了NH2与COOH的摩尔比值为1:2时C₆₀/β-CDa-pAA为带有毛刺的立方体微米结构,并且成晶型;而NH2与COOH的摩尔比值为1:1时为光滑的立方体纳米结构。苝四羧酸钾盐上的四个羧基同样可以与C₆₀/β-CDa自组装,紫外吸收和荧光谱图证明了通过静电吸引和氢键作用C₆₀/β-CDa盐酸盐与苝四羧酸离子形成了奇特的超分子体系。同时通过与富勒醇对比,证明C₆₀/β-CDa是一种既具有富勒烯特性又可以作为超分子构筑单元的新奇复合物。第五章我们研究以非共价键连接并带有供电子基团的富勒烯衍生物的微观性质,介绍了三聚氰胺-C₆₀复合纳米结构的制备,通过调节三聚氰胺和C₆₀之间的摩尔比值从而形成不同形貌的纳米结构,当C₆₀与三聚氰胺的摩尔比值=1:7.4时,主要形成了宽为30nm、长度不等的纳米棒;摩尔比值=1:7.4×4时,主要生成了形状规则的纳米球,直径大约300nm;而摩尔比值= 4:7.4时,则形成尺寸非常大的微米球,直径达到了1000nm。X-射线光电子能谱谱图分析出复合物中三聚氰胺和C₆₀摩尔比值,得出样品a,b,c中三聚氰胺和富勒烯的摩尔比值分别为1:6.7,1:3和1:2。紫外吸收CT（charge transfer）峰的出现证明二者之间在基态存在着从给体（三聚氰胺）到受体(C₆₀)的电荷转移。