如果有机物和无机物的原子结构能用纳米精确地表示，那么人们可能制造出一些“更小的”材料，而这些材料将使许多技术产生巨大变革。在这些可能性中，纳米刻度的光学、电子和机械设备能进一步使信息处理和能量转换微型化。经过设计能够识别分子和金属离子的材料被用作分子过滤器、选择性化学催化剂或化学传感器。许多化学家和材料科学家正从两个极端试图解决控制大小为1～10纳米的材料的难题：合成化学家按传统在更小的亚单元基础上构造大结构，而另一些化学家们则典型地使用计量在50纳米以上的半导体技术。这方面，席默尔曼、策恩 · 赖信尔特和克罗图信报道了合成分子亚单元形成具有确定结构的毫微颗粒的自动装配过程。

仅在几十年前，合成自然界中发现的仅有几纳米大小的复杂分子的复制品还是出奇的困难。而现在，只要从近30年来研制出的许多种试剂中选择几种即可完成这项工作。从较小的分子到较大分子的逐步合成是为药物试验准备复杂的天然产品反合成化学物质的有效途径，但并不适用于大范围的分子构造。天然产品的再生产不断刺激着合成方法论的创造性发展，然而为特定功能设计的大分子结构将在下世纪成为对合成化学家的主要挑战。合成是设计——合成——试验反馈环中的一个薄弱的连接点，较小分子能聚集形成超分子结构，通过它们的合成，就能加快发展。

微小的物质合成，不论是“由上至下”，还是“由下至上”，其实践者都从自然界借鉴了分子自动装配原理。人们对2130个相同的蛋白分子和一条病毒RNA单链中的传染性烟草花叶病毒进行研究，发现了分子能自动装配。其中“自动”是指亚单元接受编码指令序列，其中包含一个特定超分子结构的无错装配所需的信息。自动装配在构造微小物质时可用于两种不同的途径。自发的分子聚集出现在特定阶段的形成期间，如薄膜、细胞膜、细胞泡、胶态离子、液晶和同体。这是一个重要的研究领域。但经验证明，结晶很难被控制，而且液质阶段在一个分子的水平上并不完全相同。利用表层与膜内分子之间具体的相互作用可以制造——生产一种被称为自动装配的单分子层，这是一类大有可为的二维物质。另一种普遍采用的方法是设计分子，令它们具有相连的位置，以便聚集起来形成更大的综合体，然后使这些综合体结晶或用来形成部分指定的片段。当综合体能被设计出来聚集并形成特定的“超-超分子”结构时，纳米大小组织的控制即已达到最高水平。

若在自动装配的分子基础上设计材料，化学家们需要对控制分子相互作用的因素有详尽的了解。由于克莱姆 · 雷恩 · 佩德森及其余人在最近25年中的开拓性工作，在设计分子配合物方面有了重大进展，在这些配合物中，合成分子被用来仿照天然分子识别进程。对超分子或主客化学的早期研究，少于碱金属的络合，但在最近10年间，高效人工感受器已被研制成功，能通过氢键辨认出中性的有机分子。

如今，自动装配的配合物正越来越多地出现在化学家的实验室中。在过去20年中，有着连接一个以上转换金属原子位置的配件已设计、合成而出，并被发现能够生产、自动装配的金属配合物，其组成和制造形状可以预知。双螺旋和三螺旋的“helicates”（螺旋族）是自动装配的金属配合物中重要的一类。自动装配原理还被用来简化多重连结分子环的合成，并形成许多凹处能够封装小分子。最近，由汉密尔顿、瑞贝克、怀特塞德、席默尔曼和另一些研究小组探寻到使用氢键来控制分子的自动装配。

在过去10年中，对一种新型聚合物：树型聚合物的研究呈爆炸性的增长，这些树状的分子从中央的小孔向外分支，形成环状的微粒。在多细胞层或代形成环球状的从中央小孔发射出来的化学键图案中，如同出现不规则的碎片。树型聚合物美就美在它们的大小、构造都可在合成过程中特定加以控制。人们高度称赞其化学催化剂的分子构架，及传送药物及免疫原的潜在载体的前景。作为已报道了几种创造性的合成树型聚合物的途径，然而它们的效用受到了自然界繁琐的逐步合成的限制。最近报道了树型聚合物的一种自缩合聚合途径，但聚合只提供产品数字依据，因此分子的结构和特性无法准确加以控制。

席默尔曼、策恩 · 赖信特和克罗图信已在树型聚合物中运用了自动装配的原理。他们己证明，当6个末梢高度分支的楔形亚单元被合理地设计后，能自动装配形成圆柱形的玫瑰花形物，大小仅几纳米。这样，有机化学家只需要设计并合成所需结构的六分之一。席默尔曼的馅饼契形结构的基础是“分子钳子”，它们通过相距0.7纳米的芳香族环间的互插，将芳香族客体分子连接起来。这些空间与超分子组合中更大的内部空间相交换，能找出何种客体分子将这个凹陷处被束缚住是很有趣的。

在每一个馅饼楔形的双层中的苯环含有互相成60度角的羧酸物。这些线形的羧酸三聚物组成的60度角，使6个四羧酸楔子构成最稳定的组合。化学体系寻求的是最低能量环境，面对均衡控制分子自动装配的无数次研究都得出了一个结论：被采用的聚合物是满足了连接位置数目和形状限制的最低分子重量结构。尽管更大的聚合物也能满足氢键亚单元的偏好，但焫趋向选用最大数量的微粒，因此，微粒趋向是最小的。席默尔曼的六楔子模型就是根据观察6个亚单元的不同组合，当其分支末梢连接良好时，选出最佳组合。很显然，在这些球状末梢表面间的范德瓦尔斯相互作用力，稳定了超分子装配。更小或更柔韧的末梢并不能形成稳定的六楔子配合物，相反会形成开放的聚合链。

自动装配的树形聚合物类似于怀特塞德的可溶性玫瑰化形物，但将它们中的0~2纳米大小归入纳米结构。表面上，它们与来自锥形分子、以离子为中介的液晶组合有类似之处，但前者的分子结构能被准确控制，至少在中央小孔附近地带如此。与树形聚合物的聚合方法相比，自动装配手段能更好地控制分子的构造。逻辑上，建造纳米结构材料的下一步骤就是在更高水平上运用分工识别原理，使树形聚合物自动装配。

[Science，1996年2月23日]