化学能量的持续输入与消耗为生命系统提供动力,使它们能够产生功能性超分子结构并表现出许多特殊的功能性。非平衡态下的超分子自组装结构需要不断的输入和耗散能量才能持续存在,一旦能量耗尽,自组装结构自发地降解并回到热力学平衡状态,这种由燃料驱动的瞬态自组装被称为耗散自组装。现代科学的一个目标是了解简单的化学混合物如何从非生命成分过渡到真正的生命系统,以及产生新的类似生命的材料和机器。因此受自然界中化学燃料驱动的耗散自组装的启发,许多非平衡态下的人工合成的超分子材料和网络已经被建立,并表现出了时间调控的特殊应用,例如材料的自适应性、瞬态催化、可控地定向运动以及振荡行为等功能。但相比于数目庞大的化学反应来说,人工构建的非平衡态化学反应体系仍是有限的。因此针对目前合成系统中非平衡体系所存在的问题,比如说缺少功能性应用,无生命体中的自复制功能,高能燃料的重复添加以及废物累积导致的非平衡态系统失效等,本论文开发了三种化学燃料驱动的耗散自组装系统,具体研究内容如下:1.使用1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺（EDC）和活性酯（N-羟基琥珀酰亚胺酯,NHS酯）分别作为燃料和能量耗散单元,开发了一个聚合物胶束的耗散自组装体系。EDC驱动的聚乙二醇-聚丙烯酸嵌段共聚物中聚丙烯酸嵌段与小分子羟基化合物反应,亲水性的嵌段共聚物转变为两亲性的聚乙二醇-聚丙烯酸酯嵌段聚合物,在水中自组装形成聚合物胶束;之后,由于亚稳态活性酯的水解,聚合物胶束自发解组装。化学燃料EDC的重新加入可再次实现聚合物胶束出现与自发地降解,此循环过程可被重复十次。此外,EDC的用量可以调控瞬态胶束的存在寿命。2.在EDC驱动聚合物胶束的耗散自组装系统的研究基础上,开发了其作为纳米反应器的应用。首先展示了瞬态胶束在自组装过程中从水溶液中捕获各种疏水分子,并由于自发地降解而可控地释放这些分子。因此可将EDC驱动的瞬态聚合物胶束用作纳米反应器加速水溶液中的化学反应,随后通过在耗散反应完成并释放催化产物后,再次添加EDC驱动瞬态胶束重新捕捉反应物进行催化来提高纳米反应器的催化效率,解决了稳态纳米反应器中所存在的产物抑制的问题。3.模拟生命体中的自复制行为,利用酯的可逆性构建了一个基于表面活性剂形成而自加速的化学燃料驱动的非平衡态自催化胶束体系。其中表面活性剂是由两个相分离的反应物（化学燃料己酸酐与亲水性的酚羟基衍生物）通过酯化反应形成的。表面活性剂自组装形成胶束,催化自身形成反应的进行。通过将体系中的碳酸氢钠替换为碱性更强的碳酸钠,引入表面活性剂水解反应的负反馈,使得表面活性剂及其组装体处于热力学不平衡状态。亚稳态的表面活性剂并不是自复制到反应物完全消耗掉,而是在燃料耗尽后,通过负反馈的水解反应而耗尽,并且伴随着副产物己酸钠的产生,最终达到一个系统平衡状态。之后,重新添加化学燃料（己酸酐）可再次驱动耗散自催化胶束体系,并且瞬态自催化胶束体系至少可以被重复3次。这种化学燃料驱动的非平衡态的自催化胶束的产生以及持续存在展示了耦合反应循环如何创建一个代谢网络。4.针对上述耗散系统中废料堆积所导致的非平衡态失效的问题,并基于甲基紫精的可逆氧化还原特性,本论文建立了一种在封闭化学系统中无废物累积的机械力诱导瞬态变色的氧化还原反应体系。该体系由十二烷基修饰的甲基紫精(C12-MV2+)与水合肼构成。静置时,C12-MV2+被还原为甲基紫精自由基(C12-MV+·)从而表现为紫色;振动时,C12-MV+·迅速被空气氧化为C12-MV2+,导致系统远离平衡态,并使得溶液变为无色。一旦溶液保持静止,C12-MV2+随着时间的推移被水合肼还原为C12-MV+·而逐渐变回紫色,其中氮气作为废料释放。摇晃驱动的耗散变色反应可以至少重复10次,即使在封闭系统中,瞬态变色循环也可以至少重复6次,并且再次引入的空气可重新激活非平衡态的变色循环。最后,超声被引入作为一种特定的摇晃方式来生成无模板、可时间调控的瞬态变色图案。5.在摇晃驱动的十二烷基修饰的甲基紫精耗散变色体系的基础上,本论文报告了一种在封闭化学系统中无废料堆积的机械力诱导的耗散超分子聚合体系。该系统由两亲性的C12-MV2+和8-羟基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐（PN）在水合肼存在下构建。振动时,C12-MV+·被空气氧化而迅速激活,导致系统远离平衡态,随后与PN通过电荷转移相互作用以及两亲作用自组装成微米级长度的纳米管。一旦溶液保持静止,自组装纳米管随着时间的推移被还原剂自发分解,其中氮气作为废料释放。摇晃驱动的耗散超分子聚合至少可以重复6次。我们提出的机械敏感耗散自组装过程可以通过将手性带电小分子引入系统来扩展到制造瞬态螺旋超分子聚合物。同时,研究表明摇晃可以诱导瞬态荧光增强或猝灭,这取决于紫精的亲疏水性(两亲性的C12-MV2+或亲水的甲基紫精)。超声被引入作为一种特定的晃动方式来生成无模板、可重复瞬态荧光图案。