伴随着纳米科技的迅速发展,各种高性能纳米材料不断问世,其潜在应用价值已经渗透到各行各业中。然而,单一的纳米结构单元并不能满足实际应用的迫切需求。将其组装成具有多级有序结构的宏观三维纳米组装体材料,成为进一步推动其实际应用的必要途径。目前,虽然国内外在宏观三维纳米组装体的构筑和应用方面取得了一系列进展,但在宏观尺度上对其微纳结构进行精确调控,仍然处于随机探索阶段,实现宏观三维纳米组装体的实际推广应用还面临着很多关键科学问题和技术难题。发展便捷、高效、可控的宏观三维组装方法将是解决各领域对新型宏观三维纳米组装体材料迫切需求的重要策略之一,近年来受到研究人员的广泛关注。本论文着眼于这一点,首先综述了宏观三维纳米组装体材料在各领域中的应用研究进展,重点阐述了目前用于制备宏观三维纳米组装体材料的各种组装方法,同时重点阐述了取向冷冻技术的研究进展以及其在材料结构调控方面的先进技术优势。基于此,我们旨通过进一步探索和挖掘基于取向冷冻技术的新型宏观三维组装方法,对不同纳米结构单元在宏观尺度的三维空间进行结构的有序调控,以设计和构筑多种具有三维有序结构的新型宏观纳米组装体材料,并满足相关领域实际应用需求的目标。所取得主要研究结果如下：1.探究了一种可通用于多种纳米结构单元的简单宏观三维组装方法。通过单向冷冻方法首次制备出一种具有取向有序多孔结构的宏观三维壳聚糖泡沫框架材料,然后利用该框架材料所特有形状的可回复性、强吸水性以及对纳米材料的强静电吸附性,以其作为不同纳米结构单元的支撑模板,我们实现了对不同维度的纳米结构单元(包括零维的纳米颗粒、一维的纳米线以及二维的纳米片)的宏观三维有序组装。结果表明所得的三维有序结构宏观纳米组装体不仅保留了原本支撑框架所特有的形状记忆性能,同时被赋予相应纳米结构单元所特有的功能性。2.基于有序结构壳聚糖弹性框架材料,发展了一种纳米催化剂固定化反应器的制备方法。在此,我们通过调控取向冷冻参数获得了几种具有不同孔径尺寸的载体框架,并系统地研究了框架孔径尺寸对其弹性回复速度和最终所得固定化反应器催化效率的影响。结果表明,基于该柔性宏观三维有序框架结构的纳米催化剂固定化反应器实现了良好的连续液相催化效果和光催化降解有机染料效果。该纳米催化剂载体材料由于其独特的取向多孔结构、强吸水回弹性能以及对多种纳米催化剂的通用性载附,使其相比传统纳米催化剂载体材料具有诸多优势。3.发展了一种适用于一维纳米线的宏观三维有序组装方法,利用单向冷冻技术在没有使用任何聚合物胶黏剂的情况下成功地将一维银纳米线组装成了具有三维有序多级结构的可自支撑宏观组装体材料。该组装方法不仅操作简单,可以大量制备,而且适用于其他一维纳米结构单元材料。所制备的银纳米线三维宏观组装体不仅具有优越的导电性,同时具有独特的微观有序多级结构,且可以通过调节冷冻参数对其微观结构进行精确调控。基于此,我们进一步在其三维网络中灌注聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体,并成功获得了可拉伸的弹性导体材料。各项测试结果表面,这种基于三维有序结构银纳米线宏观组装体的弹性导体材料相比其他二维结构或三维结构的弹性导体材料具有突出的优势。4.发展了新型的双向冷冻方法,通过联合高温碳化过程成功制备了基于碳/石墨烯复合材料的层状多拱结构宏观组装体材料。由于该组装体中的微拱结构起到基本弹性元件的作用,并且取向一致,所以尽管所得组装体是由脆性碳组分构成,其仍然具有卓越的可压缩性能和回弹性能。研究表明,该弹性组装体可以像弹簧一样以大于580 mm/s的速度将小金属球弹回,同时,即使在90%的大压缩应变情况下仍可完全回复原状,并且在每一个压缩循环中只伴随有很小的能量耗散。其次,该弹性组装体同时具备优异的抗疲劳性能,它可以在20%应变的情况循环压缩超过100万次,在50%应变情况下循环压缩超过25万次后基本保持结构稳定。这种由特殊层状微拱结构构成的三维宏观组装体碳基材料,相比以往报道的可压缩型泡沫结构材料表现出明显的优势。