微型容器。 熒光顯微照片顯示，直徑約為 3 到 8 微米的自組裝空心球體。這些巨大的分子比富勒烯等奈米結構要大得多，但比工業界用於儲存藥物、顏料和其他物質的脂質和聚合物囊泡要小。由於它們提供更精細的分散性和更高的溶解度，因此有望贏得眾多應用。 |
上面發光的空心球體，以及圓柱體、實心環和平板盤，都太小，肉眼無法看到，但它們是分子世界的巨人。令人難以置信的是，它們不需要費力的合成來組合數百萬個原子：它們實際上是自我構建的。透過修改起始分子，科學家可以使這些結構生長成預期的形狀，就像蛋白質和細胞在基因編碼下生長並排列成功能實體一樣。
這些由羅切斯特大學的研究人員建立的結構是迄今為止最大的自組裝分子，事實上，比以前製造的任何分子大 1000 倍。它們比細菌和大多數人類細胞都大，在光學顯微鏡下清晰可見，填補了非常小的分子奈米結構（如富勒烯（足球形狀的碳原子籠））與工業膠體和封裝劑的微觀世界之間的關鍵空白。
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“在自組裝中，更大、更復雜的功能物體是夢想，”化學工程、化學和材料科學教授、3 月 20 日出版的《科學》雜誌論文的主要作者薩姆森·傑內克說。“我們所做的就是擴大了微觀世界的尺寸，從小的分子擴充套件到工業中使用的材料的尺寸。”
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微型管。 這裡顯示的空心圓柱體的寬度約為 2 微米，長度為幾微米；最長的跨度約為 10 微米。 |
傑內克在 3 月 20 日於洛杉磯舉行的美國物理學會會議上也介紹了他的工作，他預見到這些分子結構有無數的實際應用，從輸送藥物到配製化妝品、粘合劑、油漆、成像介質和殺蟲劑。現在將此類產品封裝在微小容器中需要用剛性外殼塗覆物質的液滴。此外，由於其中一些物體主要由熒光外殼包圍的空腔組成，因此它們甚至可能在製造微型雷射器方面有用。
傑內克和他的同事 X. Linda Chen 建立的最大結構只有 50 微米長。但是，這些微球中的每一個都可以容納數百萬個奈米結構，例如富勒烯。一些研究表明，富勒烯可以保護活細胞免受損害，並可能用於治療糖尿病等疾病。以自組裝外殼的形式將數十億個富勒烯運送到體內可能是一種方便的輸送方式。
捕獲的富勒烯。 透過交叉偏振鏡的光學顯微照片顯示，自組裝的空心球體，直徑約為 20 至 30 微米，每個都充滿了富勒烯。 |
羅切斯特的工程師們使用較大的分子作為起點來製造他們的分子巨獸。他們沒有像以前的研究人員那樣使用單個原子或細胞的組成部分，而是選擇了用於製造商業塑膠的大型聚合物的前體。“大多數研究人員都使用了小分子，認為不可能將聚合物馴服為自組裝，”傑內克指出。“有一些人試圖自組裝聚合物，但沒有取得太大成功。”
傑內克和他的同事選擇了聚（苯基喹啉）-嵌段聚苯乙烯，這是一種用於油漆、粘合劑和泡沫聚苯乙烯杯子的聚合物。該鏈由剛性的一半和柔性的一半組成，並且像油和水一樣，兩端在某些條件下的行為非常不同。透過控制這些端的行為，研究小組迫使聚合物鏈組裝成指定的形狀和大小。一旦製備好聚合物，分子只需幾分鐘即可自行組織成離散的微觀物體。
傑內克和陳成功的關鍵在於他們能夠將氫鍵融入聚合物結構中。氫鍵賦予它們與大自然中幫助 DNA 和自組裝蛋白質排列成功能物體的相同穩定性來源。傑內克說，羅切斯特大學已為此技術申請了專利。