表面活性剂由于其特殊的双亲特性，在溶液中或在相界面可以形成各种复杂的自组装结构，而成为超分子自组装研究的重要研究对象。本文主要研究Gemini表面活性剂在气液界面的自组装行为。Gemini表面活性剂是由两个双亲组分在极性基团处或距极性基团很近的烷基链上由联接基团将它们连接在一起而形成的表面活性剂，其结构有极大的拓展性，可根据需要，通过改变头基、疏水尾链、连接基及反离子得到不同的在某些方面性能独特的表面活性剂。本文考察了带刚性连接基的(对-苯二甲基)双(十二烷基二甲基溴化胺)(简称12Ar)在气液界面上的自组装特性及其应用；设计合成了一类分子结构中能提供额外氢键和π-π作用的新型Gemini表面活性剂，并对其单分子层自组装特性进行了研究。主要研究工作包括： 1、实验发现12Ar分子可自发从溶液本体相迁移到气液界面，并在界面上自发成核生长出3-D晶体，这是一种有别于通常的体相结晶和LB膜诱导结晶的新的结晶现象。通过偏光锥光显微镜、粉末X衍射仪和原位显微共焦拉曼光谱等表征手段研究后，作者认为其结晶机理是Gemini表面活性剂12Ar分子在气液界面的富集作用、烷烃链的分子内和分子间作用以及苯环的π-π叠加作用间的协同效应等共同作用的结果，其中苯环的π-π叠加作用在促进成核和稳定晶体结构方面起到至关重要的作用。在进一步对该晶体进行差示扫描量热分析、综合热分析和离线拉曼光谱表征的基础上，构筑了12Ar分子在气液界面上结晶生长模型。 2、利用12Ar分子能够在气/液界面结晶的特性，首次用溶液法在气/液界面构筑了从毫米到厘米尺度的3-D图案晶态超分子结构，以及具有毫米尺度的光学各相异性超分子晶态薄膜。该过程一步完成，无需模板，操作十分简便。通过在12Ar溶液中分别加入NaBr、KBr、NaCl和KCl，可以获得不同的图案化超分子结构。基于偏光显微镜观察、原位拉曼光谱、粉末X衍射和扫描电镜等对该超分子结构表征的结果，论文较深入地讨论了阴离子和阳离子在图案化超结构形成过程中所起的作用。 3、设计并合成了一类含有刚性吡啶头基和草酰二胺连接基的新型Gemini表面活性剂。分子结构中的草酰二胺连接基和吡啶头基能够为分子的自组装提供氢键和π-π作用。通过用LB膜天平对N，N-二-2-(4-十七烷基)吡啶基草酰胺盐酸盐(简称17PyOx)在气液界面的聚集特性研究发现，17PyOx分子在不同温度下的π-A等温线显示出反常的分子面积随温度变化关系。采用紫外可见光谱、原子力显微镜和傅立叶变换全反射红外光谱对提拉的膜研究发现，导致该现象的主要原因是单分子层中存在源于17PyOx分子中的草酰二胺连接基团的侧向氢键。传统理论中根据压缩度来判断单分子膜所处的相态是有一定缺陷的，通过结合AFM表征和光谱表征可以得到更准确的结果。 4、实验获得了具有三级超分子结构的LB膜：在25℃形成的17PyOx单分子膜中，一级结构是直径70-80nm，壁厚约为20nm，高度约为1.8nm的圆形或椭圆形空心管；二级结构是这些管子排列而成的宽度在120-300nm之间、高度约为1.8nm的带子；三级结构是由这些带子按照一定方向盘绕成的直径在1-5μm的圆盘。研究显示，除了双亲分子固有的弱相互作用外，草酰二胺连接基和吡啶头基额外提供的氢键和π-π作用在其发生多级自组装和三级结构形成过程中发挥了重要作用。