单个氢键是微弱的，而合起来就成为能结合起整个一类新的欲制材料的“胶接剂”

制作新材料一向是一种出色的烹调术。选好配料，仔细地加以混和，然后上灶以适当的温度爆炒，如果恰当，就可获得新的塑料、陶瓷、半导体、超导体或诸如此类的新材料。然而，就新一代材料来说，混和与烘烤的办法正在被建筑设计所取代。科学工作者正在开发一整套不断发展的分子微型组件的技术。这种分子微型组件可制成能自相组合成高度规整的材料。科学工作者最终将会找到这类新材料在从抗菌素到工业用催化剂方面的一系列应用。关键在于把这些微型组件结合在一起的“胶接剂”——称作氢键的、微妙而有效的连接。

我们已熟知氢键的能力，就是氢键，把冰里的水分子结合在一起——只有数厘米厚的一层薄冰就能支持一个完全成年的溜冰运动员。在蜘蛛丝中，氢键使蛋白质分子固定成片状组合件，把后者按股排列，其强度比钢还强，在动物肌腱中，氢键把蛋白质骨胶原分子安装成刚性螺旋管。但在这种给人深刻印象的集合强度后面，却是个体的脆弱。氢键跟人所共知的、把原子结合成分子的共价键或把盐类和矿物结合起来的离子键比较起来，是十分微弱的。

真是出人意料，氢键的这一弱点竟然也会成为长处。在某些场合下，共价键和离子键实在太强，以蛋白质分子叠合成其生物活性形态为例，这一复杂过程包括逐步的试配合过程：蛋白质链必须慢慢地移动到适当的位置上，一旦叠合失败，就得重新拆开。如果每一曲折均系由共价键固定，则叠合中的错误将被固定下来，蛋白质最终将成为无效物质。但由一系列弱作用力固定在适当位置上的分子结构单元，可以撬开返工，即使再复杂的结构，实际上也可以做到没有什么缺陷。

氢键的第二个优点，在于它跟离子键不同，在空间朝向一定的方向。因此用氢键组装分子组织，就像用积木组装玩具模特一样，只能以一定方向相连，而不能像堆棒球那样任意，不用逐块积木费力地建造构筑物，可能做到以安置在适当位置上的、易于形成S键的“胶粘端面”组装分子结构单元，氢链将引导结构单元自相组合成所需的特定结构。

加利福尼亚州La Jolla的斯克里普斯研究所的R. 加迪利（Reza Ghadiri）及其同事们，刚刚完成了有关的研究工作。1993年年底，加迪利及其研究组宣布，已经制得了直径小于1纳米的分子管，它是由环肽——合成的环状分子，像蛋白质一样，是由一串氨基酸所组成——自发地自相组合而成，肽被用来像环一样互相叠合，每个环跟它上下的环之间以氢键结合起来。

加迪利研究组面临的一个难题是大多数肽分子往往会破裂。他们用左旋氨基酸和右旋氨基酸来构筑肽环以解决这一难题。每种氨基酸（最简单的甘氨酸除外）都分属于这两类，每类除了镜像体外彼此均相同。以两种氨基酸相间组合可使环成为不大可能破裂的折叠式。

把氨基酸单元连接起来的键，称为肽腱。每个肽腱含有一个能形成半个氢键的氧原子，和一个连在氮原子上、能形成另半个氢键的氢原子。在加迪利的折叠的肽环中，这两种原子均朝向上或朝向下'，或多或少垂直于环所在的平面一正适于建立起把环连接成直立圆柱的氢键。

加迪利环肽的根本设计要点，是引发它们按要求自组合成管状结构的方法。研究组采用了具有含羧酸基团侧链的谷氨酸等一些左旋氨基酸。在碱性溶液中，它失去带正电荷的氢离子，成为带负电荷的羧酸盐基团。加迪利推论，环上的负电荷将使它们互相排斥，阻止它们自组合。在酸性溶液中，这些羧酸盐基团将取回其氢离子，中和所带的电荷，从而引发组合成管。

自组合可作为抗菌素用，且主要可用来治疗糖尿病

情况果然正是如此。斯克里普斯的研究人员酸化环肽溶液时，就出现长的针状晶体，在电子显微镜下显示，沿着晶体的长轴有许多条痕——似乎暗示这些晶体是由一系列管状分子组合而成，经过多次苦心尝试，研究工作者最终制得了足以供X射线衍射分析的大晶体，X射线衍射分析显示出晶体中原子的精确位置。这些肽环的确堆积成空心的通道。

含有许多跟单个分子大小差不多的通道的多孔材料，在许多场合都有用。称作沸石的微孔矿物，诸如与原油裂化有关的沸石，就像烃类重排和断裂反应中的工业催化剂一样，有着辉煌的历史。由于沸石具有分子大小的微孔、通道及空洞，成为具有高度选择性的催化剂，所以用途十分广泛。不能进入微孔的大分子被排除在微孔壁上发生的反应之外。同样道理，沸石可用作化学分离的分子泸器。工业化学工作者极想能制造具有特定大小微孔和通道的几何结构的人造沸石。但制造这种材料只能用尝试法，不大可能控制微孔的形状。加迪利肽管启发我们，结构单元法可为这种控制创造条件。如果能把环肽设计成连有催化分子基团，则自组合管就可起粒选催化剂的作用。

加迪利管也可作抗菌素用。凡正常功能有助于金属离子穿过内部细胞膜迁移的一些天然分子，均能在细菌的细胞壁上穿孔而杀死细菌。例如把短杆菌肽A引入细胞膜中，能形成匝，两匝首尾相连，跨越细胞膜，形成能通过离子的管形通道。

'1994年5月，斯克里普斯研究组发现，合成环肽可起有效的离子输送器的作用。他们把肽引入人造薄膜，用来分隔氢离子浓度（pH）不同的两种溶液。他们发现，由于肽能促使氢离子通过薄膜迁移，故可使pH值均匀。他们认为，肽分子能自相组合成他们在晶体中观察到的同样的管束，从而提供了穿过薄膜的通道，就像由短杆菌肽A形成的通道一样。

在人工薄膜中，合成肽管输送离子比短杆菌肽A快3倍。因而这种自组合系统作为抗菌素有很大潜力。加之，它们只是由氢键结合而成，就有可能根据需要引发这些通道自相组合起来或拆散开来，因而可不时地变换其抗菌活性。加迪利（Ghadiri）及其研究组还能制造更宽的通道，可让葡萄糖分子通过薄膜。这样终究可证明适用于治疗由葡萄糖通过细胞膜迁移障碍引起的糖尿病。

其他一些研究组也纷纷参加了这项研究。1994年10月，伊利诺斯州立大学的杰 · 莫尔（Jeffrey Moore）及其同事们宣布，他们也已制得了由环状单元以氢键自相重叠组成的多孔材料。莫尔环与加迪利环不甚相同。每个环由6个固定的条状构件和6个圆角件组成标准的6方形。他们以由叁键联接的两个碳原子的炔键基团组成的线型单元为条状构件，圆角件则为苯环，它可提供形成六方形所需的、恰为120°角的连接，所得的“大环"六角体像垫圈一样，十分坚硬。

分子筛

莫尔在大环的每个圆角上赋予氢键单元，成为加在苯环上的羟基，促使大环固定在一起。不过，跟加迪利的环肽不同，这些氢键基团不是连向叠合的环垛，而这些“胶粘”基团朝向环所在平面之外，所以这些环就会自相组合成六方排列，形成一个大的平面，莫尔研究组发现，相邻层面中的苯会相互作用，使得大环或多或少叠合起来，形成直径约9?的平行通道。莫尔希望，这样的组件可作有机分子筛用。

加拿大蒙特利尔大学J. 维斯特（Jim Wuest）研究组提出了略有不同的方法。不是由像加迪利的肽环和莫尔的固定的六方形那样的预先形成的多孔结构单元开始，维斯特用的是仅当自相组合成网状组织时才形成通道的那种单元，这些单元形成网状组织的圆角，在网状组织内部有一系列互相连通的空洞。维斯特称这种结构单元为“构造子（tecton）”。为使它们能自相组合，他赋予它们以胶粘的末端，得以形成氢键。这就为操纵成键的方向创造了条件，所以构造子的几何条件就决定着由它们组成的网状组织的几何结构。

今年早些时候，维斯特研究组指出，在4个顶点上均有氢键的四面体构造子将自组合为称作金刚石状网状组织的、互相连接的四面体结构。金刚石是由碳原子的网状组织组成，其中每个碳原子与位于标准四面体四角上的另4个碳原子相连。除了结构单元不是单个的原子而是分子结构子外，维斯特的结晶物质与金刚石类似。这种金刚石状网状组织在连接支架之间有大量的空间，正是这些空洞能互相连接成通道。

但是维斯特的按比例扩大的金刚石较此要略为复杂一些。一般晶体结构只有呈紧密堆积时才最稳定，因为只有此时其间的相互吸引作用才达到最大。为了形成维斯特物质，他们借精密的组合，不光是形成一个而是形成两个金刚石状网状组织，使一个网状物充填另一个网状物的部分空洞空间，从而减少空间体积。然而即使是这种看上去密集的排列，也还是留下横穿网状组织的、直径为6?的平行通道系。

由于形成了这些通道，它们就会吸收溶剂分子。如把该晶体浸入另一种液体中，后者的分子就会取代出溶剂分子。但如果这些截留的“客”分子没有被其它的分子取代而被排出，则网状组织就会崩塌，这揭示了该金刚石状组织远比沸石不稳定。维斯特希望能找到某种方法，只要结构子以氢键自组合，便能建立起较强的交联，从而使金刚石状网状组织能更稳定。

用这种方法可制得的不光是三维结构。今年早些时候，日本九州大学的十四奇君二竹及其同事们描述了从含有两种不同分子的溶液中形成像聚合物一样的丝状体，其中一种分子是以复合蜜胺为基础，另一种分子则系称为二酰亚胺的化合物。这两种分子边缘合适的位置上均排列着氢键，因而可彼此组合为交错的蜜胺-二酰亚胺链。

酸配偶

本项研究是由哈佛大学G. 维特斯德斯（George Whitesides）及其研究组建立在对蜜胺氢键性能广泛研究的基础上的。维特斯德斯用含有互补氢键基团的巴比士酸为基础的配偶与蜜胺相配。阻断某些氢键的能力，可得到不同组成的组合。例如他设法制造了一条曲折的聚合物带。其中的分子单元不是以共价结合的主要成分结合在一起，而是靠弱键结合在一起，结果这种聚合物具有一些十分宝贵的性能。浓缩的链状分子溶液，链与链互相纠缠在一起，因而十分粘稠。但如果链的组分只是微弱地联系在一起，搅动就可把链切断，聚合物得以自由流动。一旦停止搅动，聚合物的胶粘边缘可使其重新组合成稠厚的纤维缠结。无液滴涂料的工作原理与此类似，不过目前聚合物常具有共价骨架，在不加搅动时，其纤维是由其他弱的吸引力把它们结合在一起的。

氢键将成为研究工作者探索欲制材料珍贵的工具。这里焦点在于懂得该项窍门——发现如何控制分子粘合的方法，第二步就是引入活性组分——催化基团，或许是发射光或受光控制的组分，就像玩具构件中的马达和灯泡。这样，我们就真正懂得了这种新的分子材料。

[New Scientist，1995年8月5日]