分子納米技術(shù)是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)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(shù)的可能性。納米技術(shù)已取得巨大進(jìn)展的一個(gè)領(lǐng)域是開發(fā)分子機(jī)器(molecular machines)：一種受到外部刺激驅(qū)動(dòng)定向運(yùn)動(dòng)的組件。使用分子機(jī)器，可以實(shí)現(xiàn)許多功能，例如運(yùn)輸化學(xué)品、宏觀運(yùn)動(dòng)和催化。盡管分子機(jī)器實(shí)際上仍處于概念驗(yàn)證階段，但是分子機(jī)器可以催化一系列過程，包括聚合和不對(duì)稱合成。
盡管分子納米技術(shù)領(lǐng)域在1990年代開始取得實(shí)驗(yàn)性進(jìn)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(shù)，納米技術(shù)才得以普及。組裝體是一種能夠以原子精度定位反應(yīng)性分子來引導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備。
Drexler設(shè)想：為了生產(chǎn)大量產(chǎn)品，分子組裝體應(yīng)該能夠自我復(fù)制。形成足夠數(shù)量的組裝體后，可以對(duì)其進(jìn)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(duì)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(guó)牛津大學(xué)化學(xué)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(yīng)物的反應(yīng)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(fù)制，但是一旦達(dá)到臨界濃度，組裝體就會(huì)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(yīng)時(shí)間或引入封端劑來控制。相關(guān)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(gè)階段的示意圖。最初，需要組裝者自我復(fù)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(dāng)組裝體完成其功能，并且系統(tǒng)中的燃料或原材料耗盡時(shí)，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(gè)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(yīng)導(dǎo)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(yīng)中與其他當(dāng)量的硫醇一起消耗，導(dǎo)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(jié)構(gòu)單元，導(dǎo)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(dāng)起始二硫醇耗盡時(shí)，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(jié)構(gòu)單元，直到完全消失為止，導(dǎo)致濃度（圖2, C）降低。在此期間，聚合物繼續(xù)增長(zhǎng)。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(jié)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(gè)過程中，組裝體在其自封裝空間使聚合過程中的反應(yīng)物接觸。盡管反應(yīng)物并沒有以原子精確度放置在一起，但其中一種反應(yīng)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(kuò)散和布朗運(yùn)動(dòng)。因此，這項(xiàng)工作為功能性超分子系統(tǒng)的開發(fā)提供了替代方向。
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