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一個化學家團隊已經揭示了複雜奈米級結構自組裝的過程，發現輪狀氧化鉬分子在中心瞬態支架的幫助下成形。
研究人員在1月1日出版的《科學》雜誌上描述了這些氧化鉬輪的形成過程。儘管激發奈米輪自組裝所需的基本成分是已知的，但它們生長的實際機制“確實完全是個謎”，格拉斯哥大學的化學家、研究合著者Lee Cronin說。“奈米尺度的自組裝非常複雜和精細，我們在關鍵層面根本不瞭解它。”
Cronin和他在格拉斯哥以及德國比勒費爾德大學的同事使用受控流動系統，使鉬酸鹽（一種含氧鉬鹽）、硝酸和提供電子的還原劑處於非平衡狀態——也就是說，防止它們產生的反應不受阻礙地進行到最終狀態。因此，他們能夠在自組裝過程中分離出一個直徑為3.6奈米的輪子。（一奈米是十億分之一米；相比之下，奈米輪大約是DNA鏈寬度的1.5倍。）輪子內部巢狀著一個分子支架，形式為一個較小的氧化鉬簇，它不存在於最終產品中——在某個時候，輪子會彈出自己的輪轂。支架簇在彈出後仍然完好無損，可以繼續形成其他奈米輪的模板。
Cronin說，模板簇的作用“就像晶種，如果你願意的話”，他和他的同事透過重新開始反應來驗證這一點，並在混合物中添加了預製模板。果然，奈米輪形成反應加速了，因為該過程的第一步——模板合成——已經完成。
新的研究向Cronin解釋了製備氧化鉬奈米輪的配方順序。“當我第一次製作這些東西時，我把三種東西混合在一個罐子裡，”他說。但結果似乎取決於新增成分的順序。“如果我先將酸新增到鉬酸鹽中，然後再新增還原劑，它會非常快地起作用，”Cronin說，他的比勒費爾德同事已經證實了這一點。但是，首先新增還原劑或電子供體會導致奈米輪在更長的時間內形成。根據這項新研究，似乎長期以來已知僅由酸和鉬酸鹽形成的模板簇促進了較大輪子的生長。*
萊斯大學化學家Kenton Whitmire在《Science》雜誌上為這項研究撰寫了評論，他說輪狀分子因多種原因而有趣。首先，它們的孔或孔隙可以用來對其他分子執行尺寸或形狀排阻功能——具有某些物理性質的分子會結合到它們的孔隙中，而其他分子則不會。但對於許多這樣的環狀結構，中心必須手動製造、引入，然後在完成其工作後強制彈出。“這篇論文的可愛之處在於該系統建立了自己的模板，”Whitmire說。
模板和周圍的奈米輪都帶負電，但由於中間層存在平衡正鈉離子，它們能夠阻止相互排斥。然而，隨著新增更多的電子並且反應繼續進行，排斥似乎變得不可避免。“隨著它繼續被還原，電荷迫使內部分子出來，”Whitmire說。“它們不再相容。”
Cronin說，阻止分子在自組裝過程中揭示其形成過程，甚至可能為設計新型結構指明方向。“這類工作將開始讓我們能夠接觸到很多問題，”他說。“我認為未來幾年將非常有趣，因為我們可能真的能夠開始在奈米尺度上控制事物，而不是偶然發現它們。”
*注（2010年1月4日）：本段已在釋出後為確保準確性而修改。