微型容器。 荧光显微照片显示，直径约为 3 到 8 微米的自组装空心球体。这些巨大的分子比富勒烯等纳米结构要大得多，但比工业界用于保存药物、颜料和其他物质的脂质和聚合物囊泡要小。由于它们提供更精细的分散性和更高的溶解度，因此有望赢得众多应用。 |
上面发光的空心球体，以及圆柱体、实心环和平板盘，都太小，肉眼无法看到，但它们是分子世界的巨人。令人难以置信的是，它们不需要费力的合成来组合数百万个原子：它们实际上是自我构建的。通过修改起始分子，科学家可以使这些结构生长成预期的形状，就像蛋白质和细胞在基因编码下生长并排列成功能实体一样。
这些由罗切斯特大学的研究人员创建的结构是迄今为止最大的自组装分子，事实上，比以前制造的任何分子大 1000 倍。它们比细菌和大多数人类细胞都大，在光学显微镜下清晰可见，填补了非常小的分子纳米结构（如富勒烯（足球形状的碳原子笼））与工业胶体和封装剂的微观世界之间的关键空白。
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“在自组装中，更大、更复杂的功能物体是梦想，”化学工程、化学和材料科学教授、3 月 20 日出版的《科学》杂志论文的主要作者萨姆森·杰内克说。“我们所做的就是扩大了微观世界的尺寸，从小的分子扩展到工业中使用的材料的尺寸。”
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微型管。 这里显示的空心圆柱体的宽度约为 2 微米，长度为几微米；最长的跨度约为 10 微米。 |
杰内克在 3 月 20 日于洛杉矶举行的美国物理学会会议上也介绍了他的工作，他预见到这些分子结构有无数的实际应用，从输送药物到配制化妆品、粘合剂、油漆、成像介质和杀虫剂。现在将此类产品封装在微小容器中需要用刚性外壳涂覆物质的液滴。此外，由于其中一些物体主要由荧光外壳包围的空腔组成，因此它们甚至可能在制造微型激光器方面有用。
杰内克和他的同事 X. Linda Chen 创建的最大结构只有 50 微米长。但是，这些微球中的每一个都可以容纳数百万个纳米结构，例如富勒烯。一些研究表明，富勒烯可以保护活细胞免受损害，并可能用于治疗糖尿病等疾病。以自组装外壳的形式将数十亿个富勒烯运送到体内可能是一种方便的输送方式。
捕获的富勒烯。 通过交叉偏振镜的光学显微照片显示，自组装的空心球体，直径约为 20 至 30 微米，每个都充满了富勒烯。 |
罗切斯特的工程师们使用较大的分子作为起点来制造他们的分子巨兽。他们没有像以前的研究人员那样使用单个原子或细胞的组成部分，而是选择了用于制造商业塑料的大型聚合物的前体。“大多数研究人员都使用了小分子，认为不可能将聚合物驯服为自组装，”杰内克指出。“有一些人试图自组装聚合物，但没有取得太大成功。”
杰内克和他的同事选择了聚（苯基喹啉）-嵌段聚苯乙烯，这是一种用于油漆、粘合剂和泡沫聚苯乙烯杯子的聚合物。该链由刚性的一半和柔性的一半组成，并且像油和水一样，两端在某些条件下的行为非常不同。通过控制这些端的行为，研究小组迫使聚合物链组装成指定的形状和大小。一旦制备好聚合物，分子只需几分钟即可自行组织成离散的微观物体。
杰内克和陈成功的关键在于他们能够将氢键融入聚合物结构中。氢键赋予它们与大自然中帮助 DNA 和自组装蛋白质排列成功能物体的相同稳定性来源。杰内克说，罗切斯特大学已为此技术申请了专利。