氨基酸基元的材料如氨基酸和二肽具有生物相容性、可身体吸收特性和可生物功能化等优点受到众多研究者的青睐。这些材料通过非共价键作用力自组装成晶体结构,从而展示出优异的化学和物理性能。其中大部分晶体属于非中心对称结构,具有压电性能,在传感器、制动器、纳米发电机和生物工程等领域具有应用前景。虽然早在几十年前人们就发现氨基酸晶体具有压电性能,但是其实际应用,尤其在能源采集上的应用发展缓慢。这是由于这些有机生物压电晶体还存在一些有待解决的问题。这些问题包括压电模型不全面、材料高温稳定性差、晶体结构排列取向性低、压电性能和机械性能有待提高等。本文针对氨基酸和二肽压电晶体存在的挑战,从材料选择、结构设计和晶体优化等角度出发,大规模合成有序排列的高压电常数的氨基酸基元晶体,并应用于压电纳米发电机,对今后有机生物晶体的生长和压电性能的优化提供有价值的参考意义,推进其实际应用。本论文的研究工作包括以下几方面:1.探索氢键相互作用力对生物材料的物理性能的影响。在溶液中合成具有相似排列方式的分子,但不同氢键链接而成的氨基酸晶体—缬氨酸、亮氨酸和甲硫氨酸。通过Hirshfeld surface和表面静电势分析不同氨基酸晶体之间氢键作用力。借助原子力显微镜（AFM）探索其氢键作用对杨氏模量和点硬度的影响规律,从而预测压电性能。借助压电力显微镜（PFM）和密度泛函理论（DFT）验证它们的压电常数。研究表明,三个氨基酸晶体都属于非中心对称P21空间点群;其中亮氨酸具有最低的杨氏模量和点硬度,展示出最高的剪切压电常数(d16=42.4 pm V-1),其次甲硫氨酸晶体具有较高的面外压电常数d22=37.6 pm V-1,而缬氨酸具有最高的杨氏模量和点硬度值,展示出最低的压电常数(d22=12.3 pm V-1)。这是由于它们的氨基和羧基之间存在的氢键相互作用不同导致的,弱的氢键作用对应于更低的杨氏模量,在相同力下有助离子的位移,从而增强压电性能。原位高温PFM测试表明,在125℃高温下,甲硫氨酸的压电常数几乎不衰减。将这些晶体组装成纳米发电机,其甲硫氨酸纳米发电机在42N机械力下可以输出约1.6 V的开路电压和55 n A的短路电流。2.提出一种模型生长垂直有序的3D氨基酸阵列来实现压电性能的提高。利用气相沉积（PVD）法合成3D有序氨基酸阵列,通过系统地研究不同条件下生长的阵列形态,揭示其生长机理,分析其生长热力学和动力学,探索最佳的生长条件,分析阵列结构对压电纳米发电机性能输出的影响规律,提出构造有序阵列结构增强压电性能的策略。研究表明,3D缬氨酸阵列生长遵循改进的Stranski-Krastanov（S-K）模型;通过在不同条件下（温度、压强、和源-炉距离）生长阵列对该模型的可行性进行验证;有趣的是,生长模式随生长能变化而改变,当赋予足够的能量时,大部分分子自组装成密集、垂直片阵列结构,遵循改进的S-K生长模式。该模型可以进一步拓展到不同的氨基酸晶体阵列中。利用S-K生长模型,我们不仅展示了该阵列具有可控的形貌,还实现了器件压电性能的提高。因此S-K生长的氨基酸成为一种高性能的压电材料,应用于能量采集。3.通过共自组装策略优化二肽阵列的压电性能。借助二肽分子与基底之间的静电作用力,通过半月板驱动的自组装策略合成苯丙氨酸二肽（FF）和二肽的共自组装横向阵列,研究苯丙氨酸-色氨酸二肽（FW）、环形FW（cyclo-FW）和N-芴甲氧羰基二苯丙氨酸（Fmoc-FF）单体的加入对FF形貌的影响,探索共自组装生长机理和分析共自组装对晶格常数和压电常数影响规律。研究表明,Fmoc-FF的加入使基于FF晶体的形貌从纤维结构逐渐转变成凝胶结构。随着FW的加入,基于FF阵列的覆盖面积先增加后降低;其晶体的晶格逐渐扩大。飞行-时间二次离子质谱（To F-SIMS）、荧光光谱和紫外可见吸收光谱辅助证明了FF与FW形成共自组装阵列。PFM测试表明,共自组装可以增大阵列的有效压电常数,20%FW的有效压电常数最高,为35.5pm V-1,比纯FF肽的有效压电常数高38%。该阵列可以制备成叉指电极的压电纳米发电机,产生约1.7 V的开路电压。4.氨基酸或二肽分子与金属共晶优化物理性能。利用氨基酸分子可以给金属离子提供合适的受体位点的特性,合成金属离子与氨基酸共自组装晶体。研究金属离子对晶体排序和极化翻转的影响,探索其介电常数的变化规律,分析其压电常数的变化规律。研究表明,金属离子的加入,使氨基酸晶体的表面静电势发生变化,其极化方向趋于统一化,从而实现压电响应的调控。