在化学合成中有两条不同的途径，一个分子同时采用了这两条途径。东京大学(University of Tokyo)的化学家们研究了分子积木是如何形成球形笼或超薄层的，以显示能对环境做出反应的“智能”材料的一些基本特性。
基础科学系的平冈修一教授说:“这个分子很有趣，因为当它达到合成的分岔点时，它会根据不同的条件建立不同的结构。”Hiraoka的研究兴趣在于分子是如何组合在一起的，包括存在于自然界和化妆品行业的活细胞或胶束中的DNA。
分叉点是化学合成途径的“岔路口”，同一前体分子可以以两种不同的方式连接，最终形成不同的最终结构。在目前的反应中，前体根据第三个分子的存在或不存在而采取不同的路线。
前体分子是钯金属原子和一种有机分子——1,4-双(3-吡啶氧基)苯——由三个环组成，可以很容易地在s形和c形方向之间摇摆。
第三种分子的存在或缺失会影响前体的路径，它是带负电荷的阴离子分子(硝酸盐或三氟酸盐)。
在有负离子存在的情况下，有机分子呈C形，一次四个C连成两个o形环，把负离子锁在一个球形笼中。两个钯原子把笼子顶部和底部的四个C锁在一起。
如果没有阴离子，有机分子就会转变成s型，并与其他s型分子结合，以钯原子为纽带。最终，它们会形成4纳米厚、5微米直径的平板。
然而，当研究人员将负离子添加到完整的薄片上时，分子会慢慢重新排列成笼状。
“这张纸展示了一种所谓智能材料的一些非常原始的特性——一种可以感知并对环境做出反应的材料。这种从微米大小的薄片到纳米尺寸的笼子的转变是一个非常引人注目的结构变化，”Hiraoka说。
研究小组希望，他们对这些分子基本化学性质的研究将有可能设计出可以根据环境条件自行组装和独立重组的分子。
路径依赖于热力学和动力学
薄片和笼状结构在化学上以不同的方式更稳定。笼状结构在热力学上更稳定，这意味着它需要能量才能脱离笼状结构。薄片比笼状的更稳定，这意味着分子改变位置的速度更慢。研究人员对开发出包含这些不同稳定性复杂性的人工系统感到兴奋。
“生命系统中复杂的自然自组装反应通常具有动力学控制，”Hiraoka解释道。
活的有机体中的蛋白质通常被动态地束缚在它们健康的结构中，即使它在热力学上更稳定地聚集成无用的团块。
在Hiraoka的研究小组研究的人工系统中，当前体分子形成笼状时，分子保持在最后的位置，因为它是最低的热力学能排列。
他说:“在形成笼状结构的早期阶段，反应非常快，这告诉我们，负离子是形成笼状结构的前体的动能模板。”
然而，形成膜的反应进行得更慢，研究人员说，在没有阴离子提供模板将分子拉入笼状结构的情况下，分子被动力学地困在膜状结构中。
研究人员计划继续研究如何控制自组装途径，以及如何操纵动力学效应和热力学稳定性的影响。
——文章发布于2019年11月15日
