主题:【25个科学问题征文】化学自组装之路将至何方 -- 远走迦南
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家园 【25个科学问题征文】化学自组装之路将至何方

翻译时发现很多是和生化相关的,这部分很久没看过了。

原文链接:

http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/309/5731/95

这文章写得相当之科普,一些描述太业余了。

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今天,大多数物理学家关注于未知的自然奥秘;化学家则是制造各种物质。至少目前为止还没有合成天文学或是合成物理学。然而化学家却成功的探索出各种组装分子之路。在过去的一百年间,他们主要通过打破和形成共价键来组装分子。以这种方式,他们可以合成多达1000个原子的基本的分子结构。

虽然这种复杂程度给人留有深刻印象,但是与我们周遭大自然相比是那样的苍白无力。小分子之间通过一种弱相作用力连接构成了世界万物,从细胞到参天大树。这些弱相作用力有氢键、范德华力、π-π作用力,它们支配构架了一切,从DNA著名的双螺旋结构到水中的氢键。这些微妙的作用力不仅仅是简单的把分子聚集在一起,而是促使形成可以使分子进行自组装到更加复杂形式的结构。脂肪搭建构成细胞膜。细胞聚集形成生理组织。生理组织组合成生命体。直至今天,化学家依然达不到这种在自然界看似平常的复杂程度。他们能够制造出可以进行自组装的复杂结构么?

当然,化学家们已取得了进展。在过去的30年间,他们在非共价键规则的探索路上前进很远。譬如,相似相溶。这一点在细胞膜的构成像显得极为突出,它是由脂类分子的通过疏水集团和亲水集团之间的相互作用形成的双层结构,像一件衣服一样将细胞内外液隔开。它们将“油性尾巴”聚集起来,面向水相,防止与水发生作用,而极性部分则两两相对,与水隔离。另外一个规则是自组装被热力学自发反应所主导。拥有正确结构的分子会自发的组装成复杂有序的结构。

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外链图片需谨慎,可能会被源头改

化学家开始利用这些规则制造更加复杂的自组装系统。具有与细胞膜类似的双层脂状结构的脂状体可以携带药物,并将药物输送到病人的癌细胞组织进行治疗,这项应用已经可以商业化了。还有一种叫做rotaxane(轮烯)的自组装分子,它可以来回振荡于两种稳定的状态,很有希望作为将来分子电脑的单分子开关。

随着计算机电路小型化的要求和纳米技术的发展,对更复杂的自组装系的需求也在增加。计算机芯片的显著特点是,体积越小成本越高。现在生产厂商主要是通过减少材料来达到微型化。然而,有些观点认为,通过化学方式来自下而上的设计制造成本会更低。

自组装目前还只是一个处于探索阶段的架构各种各样纳米结构的方法。确定元件能够准确的自组装不是一个简单的课题。因为分子之间的结合力是那样的小,自组装分子有可能陷入不期望的结构,并且带有很多难免的缺陷。任何一个依赖自主装的体系必须能够容忍这些缺陷或者修复他们。仍然以生物学上的DNA为例。在细胞分裂时,聚合酶复制DNA 链时常出错,举例来说,本该插入A(腺嘌呤adenine),却被插入了T(胸腺嘧啶thymine)。有些错误可能蒙混过关,但是大多数会在DNA修复酶检查新生成的链时发现并修复。

这种策略是化学家们很难效仿的。但是如果他们想制造出更复杂、有序的结构,则需要多向大自然学习。

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