分子納米技術是一個快速發(fā)展的領域，幾十年來一直致力于探索在宏觀規(guī)模上發(fā)現(xiàn)小型化技術的可能性。納米技術已取得巨大進展的一個領域是開發(fā)分子機器(molecular machines)：一種受到外部刺激驅(qū)動定向運動的組件。使用分子機器，可以實現(xiàn)許多功能，例如運輸化學品、宏觀運動和催化。盡管分子機器實際上仍處于概念驗證階段，但是分子機器可以催化一系列過程，包括聚合和不對稱合成。
盡管分子納米技術領域在1990年代開始取得實驗性進展，但基本概念是由Richard Feynman提出的。后來，由于Eric Drexler將分子組裝體(assembler)的概念引入了納米技術，納米技術才得以普及。組裝體是一種能夠以原子精度定位反應性分子來引導化學反應的設備。
Drexler設想：為了生產(chǎn)大量產(chǎn)品，分子組裝體應該能夠自我復制。形成足夠數(shù)量的組裝體后，可以對其進行重新編程以生產(chǎn)所需的產(chǎn)品。
此外，在核糖體將mRNA從蛋白質(zhì)翻譯為蛋白質(zhì)的過程中，人們發(fā)現(xiàn)了自然界對分子組裝體的解釋。盡管僅限于多肽，但是這種分子組裝模型可用于高精度產(chǎn)生任何所需的氨基酸序列。
基于以上背景，來自英國牛津大學化學系的Stephen P. Fletcher教授課題組發(fā)現(xiàn)了一種能產(chǎn)生聚合物的分子組裝體。該分子組裝體是通過兩種相分離的反應物的反應來產(chǎn)生雙功能表面活性劑的超分子聚集體。最初僅僅是雙功能表面活性劑的自我復制，但是一旦達到臨界濃度，組裝體就會開始生產(chǎn)聚合物而不是超分子聚集體。聚合物的大小可通過調(diào)節(jié)溫度、反應時間或引入封端劑來控制。相關成果以“A molecular assembler that produces polymers”為題，發(fā)表在《Nature Communication》上。
1.?分子自組裝體的生命周期
圖1 (a)描述了分子組裝體可能的生命周期(Lifespan of the assembler)中三個階段的示意圖。最初，需要組裝者自我復制以產(chǎn)生大量的分子組裝體。接下來，在重新編程后，組裝體開始生產(chǎn)所需的產(chǎn)品。當組裝體完成其功能，并且系統(tǒng)中的燃料或原材料耗盡時，組裝體將被銷毀以生產(chǎn)更多產(chǎn)品。
2.?分子組裝體產(chǎn)生聚合物的過程
圖1?b和圖2?b描述了系統(tǒng)中分子組裝的三個階段。
階段一：組裝劑的形成(Formation of the assembler)：相分離的二硫鍵1和硫醇2之間的反應導致形成兩親化合物3，該化合物自組裝為超分子膠束（圖2, A）。這些膠束有助于將非極性硫醇增溶到水層中，從而增加兩親物的形成速率，該過程稱為物理自催化。
階段二：功能分子組裝體(Functional molecular assembler)：膠束不斷溶解非極性硫醇，從而產(chǎn)生更多的兩親物。然后，該兩親在第二反應中與其他當量的硫醇一起消耗，導致聚二硫鍵的形成。組裝體以相同的速度生產(chǎn)和消耗其結構單元，導致兩親物濃度恒定（圖2, B）。
階段三：組裝劑的自毀(Self-destruction of the assembler)：當起始二硫醇耗盡時，將不再形成兩親物。組裝器使用剩余的兩親物繼續(xù)聚合過程，從而消耗了自己的結構單元，直到完全消失為止，導致濃度（圖2, C）降低。在此期間，聚合物繼續(xù)增長。由（兩性）兩親性化合物3組成的分子組裝體的iSCAT圖像顯示出球形顆粒。
結論
總之，研究者發(fā)現(xiàn)了一種自發(fā)生產(chǎn)的分子組裝體，能夠生產(chǎn)二硫鍵聚合物。在整個過程中，組裝體在其自封裝空間使聚合過程中的反應物接觸。盡管反應物并沒有以原子精確度放置在一起，但其中一種反應物的自組裝所產(chǎn)生的封閉空間卻大大增加了它們之間的接觸，這有效地克服了擴散和布朗運動。因此，這項工作為功能性超分子系統(tǒng)的開發(fā)提供了替代方向。
文章鏈接：
