研究聚合物复合体系的组装解组装过程并在单分子水平上给出聚合物复合体系中组分之间的结合模式和结合强度的信息对于设计合成高性能高分子复合材料至关重要。采用传统意义上对聚合物复合体系的研究方法(红外光谱,圆二色谱,分子动力学理论模拟等),能够获得整体水平上各个组成部分之间相互作用的平均化信息。而这些方法很难给出组分间在分子水平上的相互作用及组装解组装过程等信息。随着人们对分子水平上微观事物认知的迫切需要,基于原子力显微镜的单分子力谱方法应运而生。这种研究手段可以实现单个分子水平上对高分子复合物中组分间的相互作用的研究。本论文通过基于原子力显微镜的单分子力谱方法,并结合红外、圆二色谱等表征手段研究了复合物中组分间的作用,发展了一种单分子水平上实时监测高分子纳米复合物动态组装解组装过程,驱动力以及调控设计纳米复合物结合模式及强度的新方法。论文主要取得以下成果:一、建立了用于高分子与纳米粒子相互作用研究的单分子实验方法。我们将带正电荷的聚赖氨酸与带负电荷的杂多酸粒子进行复合,并进行力谱实验,系统考察了纳米粒子的形状、电荷数以及周围介质对二者相互作用的影响规律。得到在低力值区域带有锯齿特征的典型力曲线,对应于聚赖氨酸与杂多酸之间静电作用的破坏。对比在不同盐浓度下锯齿形信号强度的变化,证实了这种静电作用。实验结果显示,纳米粒子的电荷数、粒径对复合物的表观力学稳定性没有影响。然而,纳米粒子的形状对高分子复合物的表观力学性质影响较大,盘状粒子与PLL的解离模式以剪切模式为主,而球状粒子与PLL的解离模式以解拉链模式为主,导致盘状粒子所形成的复合物力学稳定性更高。该方法还可以用于其它聚合物与纳米粒子复合物体系的研究。二、揭示了手性碳纳米管与单链DNA的结合模式组装驱动力。通过将手性碳纳米管与单链DNA组装成复合物,并进行AFM成像、圆二色谱以及单分子力谱实验,系统考察了纳米管手性、DNA序列以及溶液离子强度等对结合模式、结合强度的影响规律。实验结果显示单链DNA与纳米管之间以缠绕的方式进行结合,并形成螺旋结构。该螺旋结构的规整性受到DNA序列以及碳纳米管手性的影响,当DNA序列与纳米管手性匹配时所形成的结构为规整螺旋,反之螺旋结构不规整。实验结果还表明,纯水中的组装/解组装过程为π-π及疏水作用驱动的准平衡过程;在盐溶液当中,解组装为非平衡过程,而组装过程分两步实现,首先,DNA在π-π作用及疏水效应诱导下快速吸附形成松散螺旋结构,接着,螺旋结构在氢键(相邻DNA片段中的碱基之间形成可以形成氢键)诱导下逐步收紧。通过动态力学谱获得了盐溶液中单股DNA从碳纳米管表面解离的能量路径及相关动力学参数。三、利用单分子力谱的方法,研究了串联的轮烷分子马达的结合模式、结合强度及动态结合与解离过程。对串联的轮烷复合物的往复拉伸实验(恒速)结果显示,复合物的解离及结合都存在力加载速率依赖性。结合Bell-Evans模型,我们得到聚轮烷复合物的解离的势能谱及相关动力学参数并绘制了从结合态--过渡态--解离态能量变化的完整能量谱。通过四种修饰策略,我们研究了轮烷分子马达的脱环强度,轮烷分子轮轴分离时的脱环力大约为250 pN。结合恒力和恒速实验,我们给出轮烷分子的组装过程分两步进行:第一步为冠醚分子在轴上的自由移动;第二部分为冠醚运动到主客体结合位点处实现主客体组装的过程。我们发现不同的溶液环境下,轮烷本身均保持了完好的结构。而一旦受到足够的外力,轮烷分子就能够打开。四、利用单分子力谱的方法,研究了聚[2]索烃和聚[n]索烃中大环的线性运动,振动及转动,同时比较了聚[2]索烃与聚轮烷分子马达运动的分子机制。通过聚[2]索烃在不同拉伸速率下进行拉伸及往复拉伸,得到了聚[2]索烃运动的动力学参数。通过聚[2]索烃在不同溶剂中的实验,发现了在不存在氢键的情况下,大环能够发生线性运动,转动,振动等运动,并且在这些运动的随机组合下能够形成力学稳定性很好的大环之间的堆叠结构。通过聚[2]索烃在极慢的速率下力谱实验,发现索烃能够在结合态和解离态之间发生动态跳跃,而这些跳跃对应于大环分子的线性运动及振动等组合。聚[n]索烃的结果显示其中的大环具有很好的运动能力,聚[n]索烃中大环的运动能力好于聚[2]索烃。