1991_science_Molecular Self-Assembly and Nanochemistry a Chemical Strategy for the Synthesis of Nanostructures

7/29/2019 1991_science_Molecular Self-Assembly and Nanochemistry a Chemical Strategy for the Synthesis of Nanostructures

1/8

M o l e c u l a r Self-Assembly and Nanochemistry:A Chemical Strategy for the Synthesisof Nanostructures

GEORGE M. W H r T E S I D E S , JOHN P . M A T H I A S , CHRISTOPHER T . SETOM o l e c u l a r s e l f - a s s e m b l y i s t h e s p o n t a n e o u s a s s o c i a t i o n o fm o l e c u l e s u n d e r e q u i l i b r i u m c o n d i t i o n s i n t o s t a b l e , s t r u c -t u r a l l y w e l l - d e f i n e d a g g r e g a t e s j o i n e d b y n o n c o v a l e n tb o n d s . M o l e c u l a r s e l f - a s s e m b l y i s u b i q u i t o u s i n b i o l o g i c a ls y s t e m s a n d u n d e r l i e s t h e f o r m a t i o n o f a w i d e v a r i e t y o fc o m p l e x b i o l o g i c a l s t r u c t u r e s . U n d e r s t a n d i n g s e l f - a s s e m -b l y a n d t h e a s s o c i a t e d n o n c o v a l e n t i n t e r a c t i o n s t h a t c o n -n e c t c o m p l e m e n t a r y i n t e r a c t i n g m o l e c u l a r s u r f a c e s i nb i o l o g i c a l a g g r e g a t e s i s a c e n t r a l c o n c e r n i n s t r u c t u r a lb i o c h e m i s t r y . S e l f - a s s e m b l y i s a l s o e m e r g i n g a s a news t r a t e g y i n c h e m i c a l s y n t h e s i s , w i t h t h e p o t e n t i a l o f g e n -e r a t i n g n o n b i o l o g i c a l s t r u c t u r e s w i t h d i m e n s i o n s o f 1 t o1 0 2 n a n o m e t e r s ( w i t h m o l e c u l a r w e i g h t s o f 1 0 4 t o 1 0 1 0d a l t o n s ) . S t r u c t u r e s i n t h e u p p e r p a r t o f t h i s r a n g e o f s i z e sa r e p r e s e n t l y i n a c c e s s i b l e t h r o u g h c h e m i c a l s y n t h e s i s , a n dt h e a b i l i t y t o p r e p a r e t h e m w o u l d o p e n a r o u t e t o s t r u c -t u r e s c o m p a r a b l e i n s i z e ( a n d p e r h a p s c o m p l e m e n t a r y i nf u n c t i o n ) t o t h o s e t h a t c a n b e p r e p a r e d b y m i c r o l i t h o g -r a p h y a n d o t h e r t e c h n i q u e s o f m i c r o f a b r i c a t i o n .N ANOSTRUCIURES ARE ASSEMBLIES OF BONDED ATOMSt h a t h a v e d i m e n s i o n s i n t h e range o f 1 t o 1 0 2 nanometers( 1 nm = 1 o - 9M= 10 A ) ( 1 ) . S t r u c t u r e s i n t h i s range o fs i z e s can b e c o n s i d e r e d a s e x c e p t i o n a l l y l a r g e , u n e x c e p t i o n a l , ore x c e p t i o n a l l y s m a l l , d e p e n d i n g on o n e ' s v i e w p o i n t , s y n t h e t i c a n da n a l y t i c a l t e c h n o l o g i e s , a n d i n t e r e s t s ( F i g . 1 ) . To s o l i d - s t a t e p h y s i -c i s t s , m a t e r i a l s s c i e n t i s t s , a n d e l e c t r i c a l e n g i n e e r s , n a n o s t r u c t u r e s ares m a l l . T h e t e c h n i q u e s , s u c h a s m i c r o l i t h o g r a p h y a n d d e p o s i t i o nf r o m t h e vapor, t h a t are u s e d i n t h e s e f i e l d s t o f a b r i c a t e m i c r o s t r u c -t u r e s a n d d e v i c e s r e q u i r e i n c r e a s i n g l y s u b s t a n t i a l e f f o r t a s t h e y ar ee x t e n d e d t o t h e range b e l o w 1 0 2 nm. To b i o l o g i s t s , n a n o s t r u c t u r e sar e f a m i l i a r o b j e c t s . A range o f b i o l o g i c a l s t r u c t u r e s - f r o m p r o t e i n st h r o u g h v i r u s e s t o c e l l u l a r o r g a n e l l e s - h a v e d i m e n s i o n s o f 1 t o 1 0 2nm. To c h e m i s t s , n a n o s t r u c t u r e s are l a r g e . C o n s i d e r e d a s m o l e c u l e s ,n a n o s t r u c t u r e s r e q u i r e t h e a s s e m b l y o f groups o f atoms n u m b e r i n gf r o m 1 0 3 t o 1 0 9 a n d h a v i n g m o l e c u l a r w e i g h t s o f 1 0 4 t o 1 0 1 0d a l t o n s . S y n t h e t i c t e c h n i q u e s t h a t g e n e r a t e w e l l - d e f i n e d s t r u c t u r e s a tt h e l o w e r e n d s o f t h e s e r a n g e s are o n l y now b e i n g d e v e l o p e d a n d t h eu p pe r e n ds r e m a i n l a r g e l y u n e x p l o r e d .D e v e l o p i n g t e c h n i q u e s f o r s y n t h e s i z i n g a n d c h a r a c t e r i z i n g u l -t r a l a r g e m o l e c u l e s a n d m o l e c u l a r a s s e m b l i e s - n a n o s t r u c t u r e s - i sone o f t h e g r a n d c h a l l e n g e s now f a c i n g c h e m i s t r y . How can onem a k e s t r u c t u r e s o f t h e s i z e a n d c o m p l e x i t y o f b i o l o g i c a l s t r u c t u r e s ,b u t w i t h o u t u s i n g b i o l o g i c a l c a t a l y s t s or t h e i n f o r m a t i o n c o d e d i n

1 3 1 2

g e n e s ? N a n o s t r u c t u r e s p r o v i d e m a j o r u n s o l v e d p r o b l e m s i n comp l e x i t y a n d r e q u i r e new s t r a t e g i e s a n d t e c h n o l o g i e s f o r t h e i r s y n t h es i s a n d c h a r a c t e r i z a t i o n . T h e s o l u t i o n s to t h e s e p r o b l e m s w o u l d bb o t h i n t e r e s t i n g i n t h e m s e l v e s a n d e s s e n t i a l e l e m e n t s i n e x t e n d i nc h e m i s t r y t o w a r d p r o b l e m s i n m a t e r i a l s s c i e n c e a n d b i o l o g y .T h e s t i m u l i f o r d e v e l o p m e n t o f new s t r a t e g i e s f o r s y n t h e s ia p p l i c a b l e t o n a n o s t r u c t u r e s h a v e so f a r come p r i m a r i l y f r ob i o l o g y ( 2 ) . O n e m a j o r f o c u s o f n a n o c h e m i s t r y t o d a t e h a s t h e r e f o rb e e n t o a t t e m p t t o u n d e r s t a n d a n d use t h e a s t o n i s h i n g v a r i e t y os o p h i s t i c a t e d s t r a t e g i e s a n d processes e n c o u n t e r e d i n l i v i n g systemsI n c r e a s i n g l y , h o w e v e r , n a n o c h e m i s t r y i s b e i n g a p p r e c i a t e d ass u b j e c t w i t h very b r o a d i m p l i c a t i o n s , a n d as one t h a t w o u lu l t i m a t e l y i n v o l v e many areas ( 3 ) : i n t e r f a c e ( 4 ) a n d c o l l o i d s c i e n c( 5 ) , m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n ( 6 ) , e l e c t r o n i c s m i c r o f a b r i c a t i o n ( 7 )p o l y m e r s c i e n c e ( 8 ) , e l e c t r o c h e m i s t r y ( 9 ) , z e o l i t e s a n d c l a y c h e m i s t r( 1 0 ) , scanning p r o b e m i c r o s c o p y ( 1 1 ) , a n d o t h e r s . A t p r e s e n ta p p r o a c h e s t o n a n o s t r u c t u r e s b a s e d on c h e m i c a l s y n t h e s i s ar e l e sh i g h l y d e v e l o p e d t h a n a p p r o a c h e s t h r o u g h m i c r o f a b r i c a t i o n ( 1 2 )C h e m i c a l s y n t h e s i s o f f e r s , h o w e v e r , t h e a p p e a l o f a l e v e l o f c o n t r oover t h e s e l e c t i o n a n d p l a c e m e n t o f i n d i v i d u a l atoms t h a t i s u l t im a t e l y much h i g h e r t h a n t h a t a c h i e v a b l e b y o t h e r m e t h o d s of a b r i c a t i o n . ( T h i s i n c r e a s e d c o n t r o l over i n d i v i d u a l n a n o s t r u c t u r e s ip u r c h a s e d a t t h e c o s t o f i n c r e a s e d d i f f i c u l t y i n b u i l d i n g r e g u l a r arrayo f n a n o s t r u c t u r e s o f t h e t y p e r e q u i r e d i n m i c r o e l e c t r o n i c s y s t e m s .M o l e c u l a r s e l f - a s s e m b l y h a s t h e a d d i t i o n a l a t t r a c t i o n t h a t i t genera t e s s t r u c t u r e s t h a t occupy t h e r m o d y n a m i c m i n i m a . T h e s e s t r u ct u r e s ca n b e b o t h r o b u s t a n d i n t r i n s i c a l l y very r e s i s t a n t t o t hi n c o r p o r a t i o n of i m p u r i t i e s .

I n t h i s a r t i c l e we f i r s t s k e t c h f o u r s t r a t e g i e s now f o l l o w e d i n t hs y n t h e s i s o f l a r g e m o l e c u l e s a n d a s s e m b l i e s : ( i ) c o n t r o l l e d f o r m a t i oo f c o v a l e n t b o n d s , ( i i ) c o v a l e n t p o l y m e r i z a t i o n , ( i i i ) s e l f - o r g a n i z at i o n , a n d ( i v ) m o l e c u l a r s e l f - a s s e m b l y . We p o i n t ou t t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f m o l e c u l a r s e l f - a s s e m b l y t h a t m a k e i t e s p e c i a l l y s u i t a b l e a sm e t h o d f o r p r e p a r i n g n a n o s t r u c t u r e s . We t h e n g i v e e x a m p l e s os e l f - a s s e m b l y o f n a n o s t r u c t u r e s d r a w n f r o m b i o l o g i c a l s y s t e m s ti l l u s t r a t e t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h i s t y p e o f p r o c e s s . We t o u c h verb r i e f l y on t h e i m p o r t a n t matter o f t h e e n t r o p y o f s e l f - a s s e m b l y , th i g h l i g h t t h e f a c t t h a t u n d e r s t a n d i n g a n d c o n t r o l l i n g t h e e n t r o p y or e a c t i o n i s s u b s t a n t i a l l y more i m p o r t a n t i n t h i s s y n t h e t i c s t r a t e gt h a n i n o t h e r s . We t h e n l i s t t h e t y p e s o f i n t e r a c t i o n s a v a i l a b l e f o r usi n s e l f - a s s e m b l y , a n d o u t l i n e t h e i r c h a r a c t e r i s t i c s . We c l o s e w i te x a m p l e s o f n o n b i o l o g i c a l n a n o s t r u c t u r e s p r e p a r e d b y s e l f - a s s e m b la n d w i t h s p e c u l a t i o n c o n c e r n i n g t h e f u t u r e d i r e c t i o n s o f t h e f i e l d .F o u r S t r a t e g i e s Used i n C h e m i c a l S y n t h e s i s

T h e c e n t r a l f o c u s o f s y n t h e t i c c h e m i s t r y h a s b e e n t h e m o l e c u l( 1 3 ) . C h e m i s t s ( o r g a n i c c h e m i s t s i n p a r t i c u l a r ) h a v e d e v e l o p ee x t r a o r d i n a r i l y s o p h i s t i c a t e d p r o c e d u r e s f o r a s s e m b l i n g m o l e c u l e sSCIENCE, VOL. 25

T h e a u t h o r s a r e i n t h e D e p a r t m e n t o f C h e m i s t r y , H a r v a r d U n i v e r s i t y , C a m b r i d g e , MA0 2 1 3 8 .


2/8

b a s e d o n a g e n e r a l s t r a t e g y o f s e q u e n t i a l f o r m a t i o n o f c o v a l e n tb o n d s , u s u a l l y o n e o r a f e w a t a t i m e . T h i s f i r s t s t r a t e g y f o r s y n t h e s i s ,s e q u e n t i a l c o v a l e n t s y n t h e s i s , h a s c u l m i n a t e d ( a t l e a s t f o r t h ep r e s e n t ) i n s y n t h e s e s o f t h e v e r y c o m p l e x m o l e c u l e s v i t a m i n B 1 2 ( 1 4 )a n d p a l y t o x i n ( m o l e c u l a r w e i g h t 2 6 8 0 ) ( 1 5 ) .S e q u e n t i a l c o v a l e n t s y n t h e s i s c a n b e u s e d t o g e n e r a t e a r r a y s o fc o v a l e n t l y l i n k e d a t o m s w i t h w e l l - d e f i n e d c o m p o s i t i o n , c o n n e c -t i v i t y , a n d s h a p e . I t c a n g e n e r a t e s t r u c t u r e s t h a t a r e f a r f r o m t h et h e r m o d y n a m i c m i n i m u m f o r t h a t c o l l e c t i o n o f a t o m s . I t a l s or e q u i r e s e n o r m o u s e f f o r t w h e n a p p l i e d t o m o l e c u l e s a s l a r g e a n dc o m p l e x a s p a l y t o x i n . A l t h o u g h i t s u n d e r l y i n g s t r a t e g y , i n d i v i d u a l l yc o n t r o l l e d f o r m a t i o n o f c o v a l e n t b o n d s , c a n i n p r i n c i p l e b e e x t e n d e dt o y e t l a r g e r s t r u c t u r e s , i n p r a c t i c e , a t t h i s t i m e , i t d o e s n o t s e e m t oo f f e r a p r a c t i c a l r o u t e t o t r u e m a c r o m o l e c u l e s ( s u b s t a n c e s w i t hm o l e c u l a r w e i g h t s o f 1 0 4 t o 1 0 7 d a l t o n s ) o r t o n a n o s t r u c t u r e s( a l t h o u g h i t w o u l d b e i n d i s p e n s a b l e i n p r e p a r i n g t h e m o l e c u l a rc o m p o n e n t s t o b e u s e d i n s y n t h e s e s o f t h e s e s t r u c t u r e s b a s e d o nm o l e c u l a r s e l f - a s s e m b l y ) .T h e s e c o n d s y n t h e t i c s t r a t e g y now u s e d , c o v a l e n t p o l y m e r i z a -t i o n , i s t h e m o s t i m p o r t a n t f o r p r e p a r i n g m o l e c u l e s w i t h h i g hm o l e c u l a r w e i g h t s ( 1 6 ) . A r e l a t i v e l y s i m p l e , r e a c t i v e l o w m o l e c u l a rw e i g h t s u b s t a n c e ( a m o n o m e r ) i s c a u s e d t o r e a c t w i t h i t s e l f i n ap r o c e s s t h a t p r o d u c e s a m o l e c u l e ( a p o l y m e r ) c o m p r i s i n g m a n yc o v a l e n t l y c o n n e c t e d m o n o m e r s . T h e p r o t o t y p e o f t h i s s y n t h e t i cs t r a t e g y i s t h e c o n v e r s i o n o f e t h y l e n e t o p o l y e t h y l e n e . T h e m o l e c -u l a r w e i g h t o f p o l y e t h y l e n e c a n b e h i g h ( > 1 0 6 d a l t o n s ) , a n d i t i se a s i l y p r e p a r e d , b u t t h e m o l e c u l a r s t r u c t u r e i s s i m p l e a n d r e p e t i -t i v e a n d t h e p r o c e s s b y w h i c h i t i s f o r m e d o f f e r s o n l y l i m i t e do p p o r t u n i t y f o r c o n t r o l l e d v a r i a t i o n i n t h i s s t r u c t u r e o r f o r c o n t r o lo f i t s t h r e e - d i m e n s i o n a l s h a p e . P o l y m e r i z a t i o n d o e s i n d i r e c t l yp r o v i d e s y n t h e t i c r o u t e s t o s t a b l e n a n o s t r u c t u r e s [ f o r e x a m p l e ,p h a s e - s e p a r a t e d p o l y m e r s ( 8 , 1 7 ) a n d p o l y m e r l a t t i c e s ( 1 8 ) ] , b u tu n t i l t h e r u l e s d e f i n i n g n o n c o v a l e n t i n t e r a c t i o n s i n t h e s e s y s t e m sa r e b e t t e r d e f i n e d i t i s l i m i t e d i n t h e c o n t r o l i t c a n p r o v i d e o v e r t h ep o s i t i o n s a n d c o v a l e n t c o n n e c t i v i t y o f i n d i v i d u a l a t o m s a n d i n t h es h a p e s o f t h e f i n a l n a n o s t r u c t u r e s .T h e t h i r d s y n t h e t i c s t r a t e g y w i d e l y u s e d a b a n d o n s t h e c o v a l e n tb o n d a s a r e q u i r e d c o n n e c t i o n b e t w e e n a t o m s a n d r e l i e s i n s t e a d onw e a k e r a n d l e s s d i r e c t i o n a l b o n d s , s u c h a s i o n i c b o n d s , h y d r o g e nb o n d s , a n d v a n d e r W a a l s i n t e r a c t i o n s , t o o r g a n i z e a t o m s , i o n s , o r

m o l e c u l e s i n t o s t r u c t u r e s . F o r l a c k o f a n y g e n e r a l l y a c c e p t e d n a m et o d e s c r i b e t h i s c l a s s o f m e t h o d s , w e r e f e r t o t h e m c o l l e c t i v e l y a s" s e l f - o r g a n i z i n g s y n t h e s e s . " M o l e c u l a r c r y s t a l s ( 1 9 ) , l i q u i d c r y s t a l s( 2 0 ) , c o l l o i d s ( 2 1 ) , m i c e l l e s ( 2 2 ) , e m u l s i o n s ( 2 3 ) , p h a s e - s e p a r a t e dp o l y m e r s ( 8 , 1 7 ) , L a n g m u i r - B l o d g e t t f i l m s ( 2 4 ) , a n d s e l f - a s s e m -b l e d m o n o l a y e r s ( 2 5 ) r e p r e s e n t e x a m p l e s o f t y p e s o f s t r u c t u r e sp r e p a r e d w i t h t h e s e t e c h n i q u e s . T h e d i s t i n g u i s h i n g f e a t u r e o ft h e s e m e t h o d s i s s e l f - o r g a n i z a t i o n . T h e m o l e c u l e s o r i o n s a d j u s tt h e i r own p o s i t i o n s t o r e a c h a t h e r m o d y n a m i c m i n i m u m ; t h ec h em i s t d o e s n o t s p e c i f y t h e s e p o s i t i o n s .C e r t a i n o f t h e s t r u c t u r e s p r e p a r e d b y s e l f - o r g a n i z a t i o n a r e , i n f a c t ,t r u e n a n o s t r u c t u r e s , a n d t h e s e s t r u c t u r e s c o u l d e v e n t u a l l y b e i n c o r -p o r a t e d i n t o n a n o s t r u c t u r e t e c h n o l o g y . F o r e x a m p l e , t h e d e g r e e o fc o n t r o l a n d t e c h n o l o g i c a l s o p h i s t i c a t i o n n e c e s s a r y t o p r e p a r e c r y s -t a l s o f s i l v e r h a l i d e a p p r o p r i a t e f o r u s e i n s i l v e r h a l i d e - b a s e dp h o t o g r a p h y ( 2 6 ) i s q u a l i t a t i v e l y c o m p a r a b l e t o t h a t r e q u i r e d t op r e p a r e g a l l i u m a r s e n i d e q u a n t u m d o t s b y m i c r o l i t h o g r a p h y ( 2 7 ) ,a n d c o l l o i d c h e m i s t r y ( 2 1 ) i s o n e o f s e v e r a l i n c r e a s i n g l y i n t e r e s t i n gr o u t e s t o q u a n t u m s t r u c t u r e s ( 2 8 ) .T h e f o u r t h s t r a t e g y u s e d i n s y n t h e s i s , a n d t h e o n e m o s t r e l e v a n t t on a n o s t r u c t u r e s , i s m o l e c u l a r s e l f - a s s e m b l y : t h a t i s , t h e s p o n t a n e o u sa s s e m b l y o f m o l e c u l e s i n t o s t r u c t u r e d , s t a b l e , n o n c o v a l e n t l y j o i n e da g g r e g a t e s ( 2 9 ) . M o l e c u l a r s e l f - a s s e m b l y c o m b i n e s f e a t u r e s o f e a c ho f t h e p r e c e d i n g s t r a t e g i e s t o m a k e l a r g e , s t r u c t u r a l l y w e l l - d e f i n e da s s e m b l i e s o f a t o m s : ( i ) f o r m a t i o n o f w e l l - d e f i n e d m o l e c u l e s o fi n t e r m e d i a t e s t r u c t u r a l c o m p l e x i t y t h r o u g h s e q u e n t i a l c o v a l e n t s y n -t h e s i s ; ( i i ) f o r m a t i o n o f l a r g e , s t a b l e s t r u c t u r a l l y d e f i n e d a g g r e g a t e so f t h e s e m o l e c u l e s t h r o u g h h y d r o g e n b o n d s , v a n d e r W a a l s i n t e r -a c t i o n s , o r o t h e r n o n c o v a l e n t l i n k s ; a n d ( i i i ) u s e o f m u l t i p l e c o p i e so f o n e o r s e v e r a l o f t h e c o n s t i t u e n t m o l e c u l e s , o r o f a p o l y m e r , t os i m p l i f y t h e s y n t h e t i c t a s k . T h e k e y t o t h i s t y p e o f s y n t h e s i s i s t ou n d e r s t a n d a n d c o n t r o l t h e n o n c o v a l e n t c o n n e c t i o n s b e t w e e n m o l -e c u l e s a n d t o u n d e r s t a n d a n d o v e r c o m e t h e i n t r i n s i c a l l y u n f a v o r a b l ee n t r o p y i n v o l v e d i n b r i n g i n g m a n y m o l e c u l e s t o g e t h e r i n a s i n g l ea g g r e g a t e .F o r t h e f i n a l a s s e m b l y t o b e s t a b l e a n d t o h a v e w e l l - d e f i n e ds h a p e , t h e n o n c o v a l e n t c o n n e c t i o n s b e t w e e n m o l e c u l e s m u s tc o l l e c t i v e l y b e s t a b l e . T h e s t r e n g t h s ( 3 0 ) o f i n d i v i d u a l v a n d e rW a a l s i n t e r a c t i o n s a n d h y d r o g e n b o n d s a r e w e a k ( 0 . 1 t o 5k c a l / m o l ) r e l a t i v e t o t y p i c a l c o v a l e n t b o n d s ( 4 0 t o 1 0 0 k c a l / m o l )

1 - ~ S t r u c t u r a l T y p e 1B i l o g i c a l y n t h e t i c M c r o f a b r i c a t a d| E r y t h t e

-Bacdedum| - N u d e i of nmman0-U n o f T ob woMoelinsP y r u v a t e Dehydoenass

* L R i b o s o m e0-Hemoglbin* - I n s u l i n

I - T r a e I o r-wire

Cent ofresoionforo w w w n o r e p h

- C u r r e n t E m i t o f r e s o l u t i o n f o re l e c t r o n - b e a thogaphy

*- P a l y t o x i n, . C h o l e s t e r o l ,Wi d t h oft u n e l l i n g banierinaa p h e Josephson s u p e r o o n d u c t i n gIBenzene j u n c t i o nLeg o f a C-C b o n d

E i w e o m a g n cS p r u mI n f r a - r e d 1V i s b l e

U f r a - v i o l e t

X - r a y

a y }

F i g . 1 . A c o m p a r i s o n o f t h e r e l a t i v e s i z e s o fs t r u c t u r e s g e n e r a t e d i n b i o l o g y , s y n t h e t i c c h e m i s -t r y , a n d m i c r o f a b r i c a t i o n . The s c a l e ( l e f t ) i s l o g a -r i t h m i c a n d t h e e l e c t r o m a g n e t i c s p e c t r u m ( r i g h t )i s i n c l u d e d a s a r e f e r e n c e . B o t h b i o l o g y andm i c r o f a b r i c t i o n p r o v i d e e x a m p l e s o f s t r u c t u r e sw i t h d i m e n s i o n s r a n g i n g f r o m 1 t o 1 0 4 nm.S t r u c t u r e s p r e p a r e d b y c h e m i c a l s y n t h e s i s arec o n c e n t r a t e d i n t h e 0.1- to 2-nm r a n g e . Thea p p l i c a t i o n o f s e l f - a s s e m b l y i n c h e m i c a l s y n t h e s i smay m a k e i t p o s s i b l e to o b t a i n s t r u c t u r e s t h a th a v e s i z e s o f 1 0 to 1 0 3 nm.

A R T I C L E S 131329 NOVEMBER 1991

l 41 0 -

1 6 3

1 0 2

n m 1 0

1

0 . 1-


3/8

a n d c o m p a r a b l e t o t h e r m a l e n e r g i e s (RT = 0 . 6 k c a l / m o l a t 3 0 0K ) . T h u s , t o a c h i e v e a c c e p t a b l e s t a b i l i t y , m o l e c u l e s i n s e l f - a s s e m -b l e d a g g r e g a t e s m u s t b e j o i n e d b y m a n y o f t h e s e w e a k n o n c o v a l e n ti n t e r a c t i o n s ( t h a t i s , l a r g e c o m p l e m e n t a r y a r e a s o f m o l e c u l a rs u r f a c e i n i n t e r a c t i n g p a i r s o f m o l e c u l e s m u s t b e i n v a n d e r W a a l sc o n t a c t ) o r b y m u l t i p l e h y d r o g e n b o n d s , o r b o t h . M o r e o v e r , t h e s ei n t e r a c t i o n s b e t w e e n m o l e c u l e s o r p a r t s o f m o l e c u l e s m u s t b em o r e f a v o r a b l e e n e r g e t i c a l l y t h a n c o m p e t i n g i n t e r a c t i o n s w i t hs o l v e n t a n d m u s t b e a b l e t o o v e r w h e l m t h e e n t r o p i c a d v a n t a g e s o fd i s i n t e g r a t i o n o f t h e o r d e r e d a g g r e g a t e i n t o a d i s o r d e r e d o rd i s s o c i a t e d s t a t e . B i o l o g y i s r e p l e t e w i t h e x a m p l e s o f c o m p l e x ,n a n o s c a l e s t r u c t u r e s f o r m e d b y s e l f - a s s e m b l y ( 3 1 ) , a n d l i v i n gs y s t e m s h a v e m a s t e r e d t h e a r t o f s u m m i n g m a n y w e a k i n t e r a c t i o n sb e t w e e n c h e m i c a l e n t i t i e s t o m a k e l a r g e o n e s . C h e m i s t s a r e j u s tb e g i n n i n g t o l e a r n t h i s a r t .

B i o l o g i c a l P r e c e d e n t f o r M o d u l a r ,N o n c o v a l e n t M o l e c u l a r S e l f - A s s e m b l yP r o t e i n f o l d i n g . T h i s u b i q u i t o u s p r o c e s s i n b i o l o g y i l l u s t r a t e sm a n y o f t h e n o n c o v a l e n t i n t e r a c t i o n s i n v o l v e d i n s e l f - a s s e m b l y i n

a q u e o u s s o l u t i o n ( 3 0 - 3 2 ) . A p o l y p e p t i d e i s s y n t h e s i z e d a s a l i n e a rp o l y m e r d e r i v e d f r o m t h e 2 0 a m i n o a c i d s b y t r a n s l a t i o n o f as e q u e n c e p r e s e n t i n a m e s s e n g e r RNA. T h e m a t u r e p r o t e i n o f t e nh a s a c o m p a c t , w e l l - d e f i n e d t h r e e - d i m e n s i o n a l s t r u c t u r e ( F i g . 2 ) .P r o t e i n s a r e b e l i e v e d t o b e t h e r m o d y n a m i c a l l y s t a b l e s t r u c t u r e s( 3 2 ) . T h u s , t h e " i n f o r m a t i o n " n e c e s s a r y t o s p e c i f y t h e f i n a lt h r e e - d i m e n s i o n a l p r o t e i n s t r u c t u r e m u s t b e p r e s e n t i n t h e a m i n oa c i d s e q u e n c e o f t h e p r o t e i n b a c k b o n e . A n a l y s i s o f t h e t h e r m o d y -n a m i c s o f p r o t e i n f o l d i n g ( 3 3 ) ( a n d o f m a n y r e l a t e d a s s o c i a t i o n

aai(A) aali

( B)

0>( C ) 0 1 7F i g . 2 . T h r e e b i o l o g i c a l e x a m p l e s o f s e l f - a s s e m b l i n g n a n o s c a l e s t r u c t u r e s . ( A )A s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e p r o c e s s o f p r o t e i n f o l d i n g . T h i s p r o c e s s i sshown s c h e m a t i c a l l y in t h r e e s t a g e s : t h e u n f o l d e d p r i m a r y amino a c i ds e q u e n c e ; w i t h t h e f o r m a t i o n o f s t r u c t u r a l m o t i f s ( d o m a i n s ) ; an d t h e f o l d i n go f t h e s e s t r u c t u r e s i n t o t h e f i n a l p r o t e i n c o n f o r m a t i o n . ( B ) S e l f - a s s e m b l y oft h e t o b a c c o m o s a i c v i r u s . ( C ) F o r m a t i o n o f t h e p y r u v a t e d e h y d r o g e n a s ec o m p l e x .1 3 1 4

p r o c e s s e s o c c u r r i n g i n b i o l o g y ) a r e u s u a l l y p h r a s e d i n t e r m s oa l i m i t e d n u m b e r o f t y p e s o f i n t e r a c t i o n s : e l e c t r o s t a t i c i n t e ra c t i o n s i n v o l v i n g c h a r g e d g r o u p s a n d e l e c t r i c a l d i p o l e s ; h y d r og e n b o n d s ; v a n d e r W a a l s i n t e r a c t i o n s ; a n d i n t e r a c t i o n s oc h a r g e d a n d u n c h a r g e d g r o u p s w i t h w a t e r . T h e i n t e r a c t i o n on o n p o l a r g r o u p s w i t h w a t e r a n d w i t h o n e a n o t h e r i s a p a r t i c u l a r li m p o r t a n t c o m b i n a t i o n t h a t i s g i v e n t h e n a m e " h y d r o p h o b i ce f f e c t " ( 3 4 , 3 5 ) .A l t h o u g h t h e a m o u n t o f " i n f o r m a t i o n " t h a t c ou ld b e c o d e d i np r o t e i n s e q u e n c e i s v e r y l a r g e ( a p o l y p e p t i d e c o n t a i n i n g 2 0 0 a m i na c i d s c o u l d h a v e 2 0 2 0 0 - 1 0 2 6 0 d i f f e r e n t s e q u e n c e s , e a c h , ip r i n c i p l e , h a v i n g a d i f f e r e n t s t r u c t u r e ) , t h e b r o a d p r i n c i p l e s ( a lt h o u g h n o t t h e c r u c i a l l o c a l d e t a i l s ) o f p r o t e i n f o l d i n g s e er e l a t i v e l y s i m p l e ( 3 2 ) . P a r t i c u l a r s e q u e n c e s o f a m i n o a c i d s ( o r t y p eo f a m i n o a c i d s ) t e n d t o r e o c c u r , a n d t o f o r m a r e l a t i v e l y s m a ln u m b e r o f l o c a l s t r u c t u r a l " m o t i f s " ( 3 6 ) ( h e l i x a n d s h e e t s t r u c t u r ea s s o c i a t e d t h r o u g h n e t w o r k s o f h y d r o g e n b o n d s ) ; t h e s e m o t i f s t e nt o a g g r e g a t e i n t h e p r o t e i n i n w a y s t h a t a s s o c i a t e h y d r o p h o b ir e g i o n s w i t h o n e a n o t h e r a n d o u t o f c o n t a c t w i t h w a t e r a n d t o p l a ch y d r o p h i l i c r e g i o n s i n c o n t a c t w i t h w a t e r . T h u s , s e l f - a s s e m b l y ip r o t e i n s ( t h a t i s , f o l d i n g ) c a n b e c o n s i d e r e d t o i n v o l v e t w o t y p e s op r o c e s s e s : f o r m a t i o n o f r e l a t i v e l y s i m p l e l o c a l s t r u c t u r e s ( h e l i c e ss h e e t s ) f r o m a n u n f o l d e d p o l y p e p t i d e c h a i n ; a n d m o r e c o m p l e xs t r u c t u r e - s p e c i f i c a s s o c i a t i o n o f t h e s e l o c a l s t r u c t u r e s . U n d e r s t a n di n g a n d c o n t r o l l i n g t h e s t r u c t u r e s a n d p r o c e s s e s t h a t f o r m t h e l o c as t r u c t u r e s i s w e l l a d v a n c e d ( 3 7 ) . U n d e r s t a n d i n g b o t h t h e m u c hm o r e c o m p l e x a s s o c i a t i o n s b e t w e e n t h e a r r a y s o f s i d e - c h a i n g r o u pp r e s e n t e d o n t h e s u r f a c e s o f t h e s e l o c a l s t r u c t u r e s a n d t h e o t h ei m p o r t a n t l o c a l i n t e r a c t i o n s ( i n c l u d i n g t h e i n t e r a c t i o n s w i t h s o l v e n ti s o n l y j u s t b e g i n n i n g ( 3 8 ) .F o r m a t i o n o f p r o t e i n a g g r e g a t e s . T h e a s s o c i a t i o n o f p r o t e i n s i n tf u n c t i o n a l a g g r e g a t e s i s a t h e m e t h a t r e c u r s t h r o u g h o u t b i o l o g yf r o m r e l a t i v e l y s i m p l e e x a m p l e s [ t h e a s s o c i a t i o n o f f o u r h e m o g l o b im o l e c u l e s i n t o a t e t r a m e r o r s i x i n s u l i n m o l e c u l e s i n t o a h e x a m e( 3 9 ) ] t o e x t r e m e l y c o m p l e x o n e s [ f o r m a t i o n o f t h e r i b o s o m e ( 4 0 ) ]F o r m a t i o n o f t h i s l a t t e r s t r u c t u r e ( w h i c h i s r e s p o n s i b l e f o r t ht r a n s l a t i o n o f mRNA t o p r o t e i n ) h a s b e e n e x a m i n e d i n d e t a i l a nd e m o n s t r a t e d t o i n v o l v e t h e o r d e r e d s e l f - a s s e m b l y o f 5 5 p r o t e i na n d t h r e e s t r a n d s o f RNA. T h e p y r u v a t e d e h y d r o g e n a s e c o m p l e xa p a r t i c u l a r l y g o o d e x a m p l e o f t h e s e l f - a s s e m b l y o f p r o t e i n a g g r eg a t e s ( 3 1 ) . T h r e e t y p e s o f p r o t e i n a r e i n v o l v e d i n t h i s p r o c e s s :t r i m e r i c u n i t s ( 2 4 p r o t e i n m o l e c u l e s ) o f d i h y d r o l i p o y l t r a n s a c y l a s e1 2 m o l e c u l e s o f d i h y d r o l i p o y l d e h y d r o g e n a s e ; a n d 2 4 m o l e c u l e s op y r u v a t e d e c a r b o x y l a s e a g g r e g a t e a n d g e n e r a t e a s t r u c t u r e w i t hd i a m e t e r o f -30 n m .An i m p o r t a n t f e a t u r e t h a t s e e m s t o c h a r a c t e r i z e t h e s e s e l fa s s e m b l i e s i n b i o l o g y i s c o o p e r a t i v i t y : t h a t i s , t h e m o d i f i c a t i o n ot h e c o n f o r m a t i o n o f i n d i v i d u a l p a r t i c l e s o n b i n d i n g i n a w a y t h ai n c r e a s e s t h e i r a f f i n i t y f o r t h e o t h e r c o m p o n e n t s . M o s t o f t h e ss y s t e m s e x i s t i n " a l l - o r - n o n e " c o m p l e x e s : e i t h e r t h e f u l l y f o r m ea g g r e g a t e i s p r e s e n t , o r t h e c o m p l e t e l y d i s s o c i a t e d c o m p o n e n t sb u t n o t a n e q u i l i b r i u m m i x t u r e o f i n t e r m e d i a t e a g g r e g a t e s . A lt h o u g h i t h a s b e e n p o s s i b l e t o r a t i o n a l i z e t h i s t y p e o f c o o p e r a t i v i ta f t e r t h e f a c t b y a s s o c i a t i n g i t w i t h c o n f o r m a t i o n a l c h a n g e s a ni n t e r m o l e c u l a r c o n t a c t s o b s e r v e d i n c r y s t a l s t r u c t u r e s , p r e d i c t i nc o o p e r a t i v i t y a n d d e s i g n i n g s e l f - a s s e m b l i n g a g g r e g a t e s i s o n lnow b e g i n n i n g t o b e p o s s i b l e i n n o n b i o l o g i c a l s y s t e m s .An e x a m p l e o f a c o m p l e x s e l f - a s s e m b l i n g b i o l o g i c a l n a n o s t r u ct u r e t h a t h a s b e e n e x a m i n e d i n g r e a t d e t a i l i s t o b a c c o m o s a i c v i r u(TMV) ( 4 1 ) . I n d e e d , m a n y o f t h e c o n c e p t s o f b i o l o g i c a l s e la s s e m b l y a r e d e r i v e d f r o m s t u d i e s o f TMV. TMV i t s e l f i s a h e l i cv i r u s p a r t i c l e w i t h d i m e n s i o n 3 0 0 nm b y 1 8 n m . T h i s v i r u sc o m p o s e d o f 2 1 3 0 i d e n t i c a l p r o t e i n u n i t s , e a c h w i t h 1 5 8 a m i na c i d r e s i d u e s , t h a t f o r m t h e v i r a l p r o t e i n coat a r o u n d a s i n g

SCIENCE, VOL. 2 5


4/8

s t r e t c h o f R NA t h a t c o m p r i s e s - 6 4 0 0 n u c l e o t i d e s . S i n c e i t w a sd e m o n s t r a t e d t h a t TMV c o u l d b e d i s s o c i a t e d i n t o i t s c o m p o n e n tp a r t s a n d t h e s e p a r t s r e c o n s t i t u t e d s u c c e s s f u l l y i n v i t r o t o r e f o r ma n i n t a c t , f u l l y i n f e c t i o u s v i r u s p a r t i c l e - t h a t i s , a s t r u c t u r e t h a t i si n d i s t i n g u i s h a b l e f r o m t h e o r i g i n a l v i r u s - t h e a c t u a l m e c h a n i s mo f t h i s a s s e m b l y p r o c e s s h a s b e e n s t u d i e d e x t e n s i v e l y ( 4 1 - 4 3 ) . T h ep i c t u r e t h a t h a s e m e r g e d ( 4 1 ) i s o n e i n w h i c h , u n d e r p h y s i o l o g i c a lc o n d i t i o n s , t h e c o a t p r o t e i n s f i r s t s e l f - a s s e m b l e i n t o a s t a b l e d i s ks u b u n i t . T h i s d i s k c o r r e s p o n d s t o t w o t u r n s o f t h e f i n a l h e l i xs t r u c t u r e . T h e s e s t a b l e s e l f - a s s e m b l e d d i s k s t h e n a s s o c i a t e w i t h t h ev i r a l RNA t o f o r m t h e i n t a c t v i r u s . T h i s a s s o c i a t i o n p r o c e s s i se n t r o p i c a l l y d r i v e n ( 4 1 , 4 3 ) .T h e u s e o f a s i n g l e p r o t e i n i n t h e c o a t n e c e s s i t a t e s o n l y a s i n g l e s e to f b i n d i n g i n t e r a c t i o n s - b e t w e e n p r o t e i n s i n t h e i n d i v i d u a l d i s k sa n d s u b s e q u e n t l y b e t w e e n t h e d i s k s t h e m s e l v e s - t o a n c h o r t h es t r u c t u r e t o g e t h e r . T h i s f e a t u r e r e d u c e s g r e a t l y t h e m o l e c u l a r i n f o r -m a t i o n t h a t i s r e q u i r e d i n m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n a n d s e l f - a s s e m b l y .T h e a s s o c i a t i o n o f t h e p r o t e i n i n t o a d i s k s u b a s s e m b l y t h r o u g hr e v e r s i b l e , n o n c o v a l e n t i n t e r a c t i o n s a l l o w s t h e p r o c e s s o f a s s e m b l ya n d d i s a s s e m b l y t o b e d y n a m i c : e a c h s t a g e i s a t o r c l o s e t oe q u i l i b r i u m . T h i s m e c h a n i s m i s t h e r e f o r e c a p a b l e o f u n d o i n g o c c a -s i o n a l e r r o r s t h a t m a y o c c u r d u r i n g t h e a s s e m b l y p r o c e s s : t h a t i s , t h ep r o c e s s i s i n t r i n s i c a l l y e r r o r - c h e c k i n g a n d e r r o r - c o r r e c t i n g . T h e d i s ks u b u n i t s a s s e m b l e a r o u n d t h e v i r a l R NA i n a m a n n e r m o r e e f f i c i e n tt h a n t h e s t e p w i s e g r o w t h o f t h e h e l i x b y a d d i t i o n o f s i n g l e p r o t e i nu n i t s .P a i r i n g o f n u c l e o t i d e s . A p a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t e x a m p l e o f s e l f -a s s e m b l y , a n d o n e t h a t , b y v i r t u e o f i t s s i m p l i c i t y , h a s p r o v i d e d t h eg r e a t e s t s t i m u l u s t o e f f o r t s t o d e s i g n n o n b i o l o g i c a l s e l f - a s s e m b l i n gs t r u c t u r e s , i s t h a t p r o v i d e d b y n u c l e i c a c i d s ( 4 4 ) . F a m i l i a r e x a m p l e sa r e t h e f o r m a t i o n o f d o u b l e - s t r a n d e d DNA b y a s s o c i a t i o n o f t w oc o m p l e m e n t a r y c h a i n s o f DNA ( 4 5 ) a n d t h e i n t r a m o l e c u l a r f o l d i n go f tRNA ( 4 6 ) . T h e s e s t r u c t u r e s r e l y i n p a r t o n c o m p l e m e n t a r yp a t t e r n s i n h y d r o g e n - b o n d d o n a t i o n a n d a c c e p t a n c e f o r t h e i r f o r m .B e c a u s e t h e s e p a t t e r n s c a n b e e a s i l y r e p l i c a t e d s y n t h e t i c a l l y , a n db e c a u s e h y d r o g e n b o n d s a r e s u b s t a n t i a l l y b e t t e r d e f i n e d i n t h e i rd i r e c t i o n a l i t y t h a n a r e v a n d e r W a a l s i n t e r a c t i o n s , m o l e c u l e s c a p a b l eo f f o r m a t i o n o f n e t w o r k s o f h y d r o g e n b o n d s h a v e b e c o m e t h ef o u n d a t i o n f o r m u c h o f t h e c u r r e n t w o r k i n c h e m i s t r y i n m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n a n d s e l f - a s s e m b l y .S o m e p r i n c i p l e s o f b i o l o g i c a l s e t f - a s s e m b l y . T h e s i n g l e f e a t u r e c o m -mon t o a l l o f t h e s e b i o l o g i c a l s t r u c t u r e s i s t h e r e l i a n c e u p o nn o n c o v a l e n t s e l f - a s s e m b l y o f p r e f o r m e d a n d w e l l - d e f i n e d s u b a s s e m -b l i e s t o o b t a i n t h e f i n a l s t r u c t u r e , r a t h e r t h a n t h e c r e a t i o n o f a s i n g l e ,l a r g e , c o v a l e n t l y l i n k e d s t r u c t u r e . B i o l o g i c a l s e l f - a s s e m b l y c a n t h u sb e d e s c r i b e d b y a s e r i e s o f p r i n c i p l e s t h a t a r e o f t e n ( b u t n o t a l w a y s )o b e y e d :1 ) S e l f - a s s e m b l y i n v o l v e s a s s o c i a t i o n b y m a n y w e a k , r e v e r s i b l ei n t e r a c t i o n s t o o b t a i n a f i n a l s t r u c t u r e t h a t r e p r e s e n t s a t h e r m o d y -n a m i c m i n i m u m . I n c o r r e c t s t r u c t u r a l u n i t s a r e r e j e c t e d i n t h ed y n a m i c , e q u i l i b r i u m a s s e m b l y . T h i s e q u i l i b r a t i o n a l l o w s h i g hf i d e l i t y i n t h e p r o c e s s .2 ) S e l f - a s s e m b l y o c c u r s b y a m o d u l a r p r o c e s s . T h e f o r m a t i o n o fs t a b l e s u b a s s e m b l i e s b y s e q u e n t i a l c o v a l e n t p r o c e s s e s p r e c e d e s t h e i ra s s e m b l y i n t o t h e f i n a l s t r u c t u r e . T h i s m e c h a n i s m a l l o w s f o r e f f i c i e n ta s s e m b l y f r o m t h e p r e f o r m e d u n i t s [ a " c o n v e r g e n t s y n t h e s i s , " i n t h et e r m s o f o r g a n i c c h e m i s t r y ( 4 7 ) ] .3 ) O n l y a s m a l l n u m b e r o f t y p e s o f m o l e c u l e s a r e n o r m a l l yi n v o l v e d i n m o d u l a r s e l f - a s s e m b l y . C o n s e q u e n t l y , a l i m i t e d s e t o fb i n d i n g i n t e r a c t i o n s i s r e q u i r e d t o c a u s e t h e f i n a l s t r u c t u r e t o f o r m .T h i s p r i n c i p l e m i n i m i z e t h e a m o u n t o f i n f o r m a t i o n r e q u i r e d f o r ap a r t i c u l a r s t r u c t u r e .4 ) S e l f - a s s e m b l y o f t e n d i s p l a y s p o s i t i v e c o o p e r a t i v i t y .5 ) C o m p l e m e n t a r i t y i n m o l e c u l a r s h a p e p r o v i d e s t h e f o u n d a t i o n2 9 NOVEMBER 1 9 9 1

f o r t h e a s s o c i a t i o n b e t w e e n c o m p o n e n t s . S h a p e - d e p e n d e n t a s s o c i a -t i o n b a s e d o n v a n d e r W a a l s a n d h y d r o p h o b i c i n t e r a c t i o n s c a n b em a d e m o r e s p e c i f i c a n d s t r o n g e r b y h y d r o g e n b o n d i n g a n d e l e c t r o -s t a t i c i n t e r a c t i o n s .To s u m m a r i z e t h e s e o b s e r v a t i o n s , b i o l o g i c a l s e l f - a s s e m b l y r e -q u i r e s o n l y t h e i n f o r m a t i o n e m b o d i e d i n t h e s h a p e , s u r f a c e p r o p e r -t i e s , a n d d e f o r m a b i l i t y o f a l i m i t e d n u m b e r o f m o l e cu l ar p r e c u r s o r s .T h e a s s o c i a t i o n b e t w e e n t h e s e p r e c u r s o r m o l e c u l e s i n v o l v e s n o n c o -v a l e n t i n t e r a c t i o n s a n d g e n e r a t e s a s t r u c t u r e t h a t i s a t h e r m o d y n a m i cm i n i m u m . T h i s a g g r e g a t e o f m o l e c u l e s i s s t a b i l i z e d b y c o n t a c t sb e t w e e n m o l e c u l a r s u r f a c e s o f c o m p l e m e n t a r y s h a p e ; t h e s t a b i l i z i n gi n t e r a c t i o n s a r e d i s t r i b u t e d o v e r a l a r g e n u m b e r o f i n d i v i d u a l l y w e a ki n t e r a c t i o n s , r a t h e r t h a n c o n c e n t r a t e d i n a s m a l l n u m b e r o f s t r o n gc o v a l e n t b o n d s .T h e r m o d y n a m i c I s s u e s i n M o l e c u l a rS e l f - A s s e m b l y

B e c a u s e s e l f - a s s e m b l e d s t r u c t u r e s r e p r e s e n t t h e r m o d y n a m i c m i n -i m a , b e c a u s e t h e y a r e f o r m e d b y r e v e r s i b l e a s s o c i a t i o n o f a n u m b e ro f i n d i v i d u a l m o l e c u l e s , a n d b e c a u s e t h e e n t h a l p i e s o f t h e i n t e r a c -t i o n s h o l d i n g t h e s e m o l e c u l e s t o g e t h e r a r e r e l a t i v e l y w e a k , t h ei n t e r p l a y o f e n t h a l p y a n d e n t r o p y (AH a n d A S ) i n t h e i r f o r m a t i o n i sm o r e i m p o r t a n t t h a n i n s y n t h e s e s b a s e d o n f o r m a t i o n o f c o v a l e n tb o n d s ( F i g . 3 ) . T h e v a l u e s o f AH f o r t h e i n t e r a c t i o n s t h a t h o l dt o g e t h e r s e l f - a s s e m b l e d s t r u c t u r e s v a r y w i d e l y , b u t r e p r e s e n t a t i v ev a l u e s a r e o n t h e o r d e r o f 2 t o 2 0 k c a l / n m 2 o f c o m p l e m e n t a r ym o l e c u l a r s u r f a c e ( 3 5 ) . W h a t a r e t h e c o n t r i b u t i o n s o f t h e e n t r o p y o ff o r m a t i o n ( T A S ) o f s e l f - a s s e m b l e d a g g r e g a t e s t o t h e f r e e e n e r g yAG?

E n t r o p y o f r e a c t i o n i s u s u a l l y s e c o n d a r y i n i m p o r t a n c e i nr e a c t i o n s t h a t f o r m a c o v a l e n t b o n d i r r e v e r s i b l y . I t c a n b e muchm o r e i m p o r t a n t i n e q u i l i b r i u m r e a c t i o n s . A s r u l e - o f - t h u m b a p -p r o x i m a t i o n s , t h e l o s s i n t r a n s l a t i o n a l e n t r o p y o n b r i n g i n g t o g e t h -e r t w o p a r t i c l e s o r i g i n a l l y a t m i l l i m o l a r c o n c e n t r a t i o n c o n t r i b u t e sa p p r o x i m a t e l y -TAS = + 5 . 5 k c a l / m o l t o A G , a n d t h e l o s s i nc o n f o r m a t i o n a l e n t r o p y i n f r e e z i n g a f r e e l y r o t a t i n g b o n d w i t ht h r e e e q u a l l y p o p u l a t e d c o n f o r m a t i o n s i n o n e c o n f o r m a t i o n c o n -t r i b u t e s a p p r o x i m a t e l y -TAS = + 0 . 7 k c a l / m o l . I f t h e r e a r e an u m b e r o f p a r t i c l e s a s s o c i a t i n g , a n d i f a n u m b e r o f c o n f o r m a t i o n -a l l y m o b i l e s e c t i o n s o f t h e p a r t i c i p a t i n g m o l e c u l e s a r e f r o z e n o na g g r e g a t i o n , t h e sum o f t h e s e u n f a v o r a b l e e n t r o p i c t e r m s c a n b es i g n i f i c a n t . T h e s e c o n s i d e r a t i o n s s u g g e s t t h a t m o l e c u l e s d e s i g n e df o r s e l f - a s s e m b l y s h o u l d b e a s r i g i d a s i s c o n s i s t e n t w i t h a c h i e v i n gg o o d i n t e r m o l e c u l a r c o n t a c t b e t w e e n t h e i n t e r a c t i n g s u r f a c e s ( 4 8 )a n d t h a t t h e a r e a o f c o n t a c t i n g m o l e c u l a r s u r f a c e b e m a d e l a r g e .T h e c r i t e r i a o f r i g i d i t y a n d m u l t i p o i n t c o n t a c t a r e a l s o r e l a t i v e l ye a s i l y m e t b y u s i n g n e t w o r k s o f h y d r o g e n b o n d s i n n o n a q u e o u ss o l v e n t s , a n d t h e s e s y s t e m s h a v e , i n c o n s e q u e n c e , b e e n e x t e n s i v e l ye x a m i n e d a s m o d e l s f o r s e l f - a s s e m b l y .I n b i o l o g i c a l s y s t e m s , u n d e r s t a n d i n g t h e t h e r m o d y n a m i c s o fs e l f - a s s e m b l y i s m a d e d i f f i c u l t b y s e v e r a l f a c t o r s . F i r s t , w a t e r i s a

c o m p l i c a t e d s o l v e n t , a n d t h e t h e r m o d y n a m i c o r i g i n s o f t h e h y d r o -p h o b i c e f f e c t r e m a i n a m a t t e r o f d i s c u s s i o n ( 3 4 , 3 5 ) . T h e e n t r o p -i c a l l y f a v o r a b l e r e l e a s e o f s t r u c t u r e d w a t e r on a s s o c i a t i o n o fh y d r o p h o b i c r e g i o n s o f a g g r e g a t i n g m o l e c u l e s i s a n i m p o r t a n tc o n t r i b u t i o n t o o v e r c o m i n g t h e u n f a v o r a b l e l o s s o f t r a n s l a t i o n a le n t r o p y i n t h i s a g g r e g a t i o n . S e c o n d , many i n t e r m o l e c u l a r i n t e r -f a c e s i n a g g r e g a t e d b i o l o g i c a l s y s t e m s i n v o l v e m a c r o m o l e c u l e s a n dc a n b e l a r g e ( 1 t o 5 n m 2 ) . I t i s d i f f i c u l t t o d i s e n t a n g l e t h ec o n t r i b u t i o n s o f i n d i v i d u a l o r g a n i c g r o u p s ( w i t h a r e a s o f 0 . 0 5 t o0 . 5 n m 2 ) t o t h e s e i n t e r f a c e s . F i n a l l y , c h a n g e s i n c o n f o r m a t i o n ons e l f - a s s e m b l y a r e common b u t may b e d i s t r i b u t e d a s s m a l l c h a n g e s

ARTICLES 1 3 1 5


5/8

AH

AH - 2 - 20 k c a V n m 2TAS t r a n s l a t i o n

o[ C ] s o i n .

T A S t r n R-R l s o i n[ c ] p u r ea .

0 . 6 I n [ s o i n - 5 . 5 k c a l / m o l1 0TAS c o n f o r m a t i o n

TAS~ RTIn -0.7 k c a l l m o l3F i g . 3 . T y p e s o f t h e r m o d y n a m i c i s s u e s t h a t are i n v o l v e d i n m o l e c u l a rs e l f - a s s e m b l y . T h e v a l u e s o f AH vary w i d e l y d e p e n d i n g on t h e t y p e o fm o l e c u l a r i n t e r a c t i o n s t h a t ar e i n v o l v e d . Th e v a l u e f o r T A S t h . a n i s b a s e de x c l u s i v e l y on c o n s i d e r a t i o n s o f c o n c e n t r a t i o n a n d i s p r o v i d e d o n ly a s ana p p r o x i m a t i o n . T h e v a l u e f o r T A S o n f o r n l a t i i s o f s m a l l e r m a g n i t u d e t h a nT A S , , h j , , b u t t h e sum o f many c o n t r i b u t i o n s , r e s u l t i n g f r o m f r e e z i n gc o n f o r m a t i o n s a r o u n d many b o n d s i n a l a r g e , f l e x i b l e m o l e c u l e , ca n m a k el o s s o f c o n f o r m a t i o n a l e n t r o p y s i g n i f i c a n t i n t h e t h e r m o d y n a m i c s o f s e l f -a s s e m b l y p r o c e s s e s .

i n a l a r g e n u m b e r o f b o n d s . The e n t h a l p i c sum o f t h e s e c h a n g e s i sa g a i n d i f f i c u l t t o e s t i m a t e . C o m p u t a t i o n a l s y s t e m s c a p a b l e o fe s t i m a t i n g e n t h a l p i e s i n b i o l o g i c a l a s s o c i a t i o n are d e v e l o p i n gr a p i d l y ( 4 9 ) , b u t a p p r o a c h e s t o e s t i m a t i o n s o f e n t r o p i e s are a t ane a r l y s t a g e .T y p e s o f N o n c o v a l e n t Bonds or I n t e r a c t i o n sA v a i l a b l e f o r S y n t h e s i s

The b i o l o g i c a l e x a m p l e s d i s c u s s e d d i s p l a y many, b u t no t a l l , o ft h e t y p e s o f b o n d s or i n t e ra c t i on s t h a t ar e p l a u s i b l e c a n d i d a t e s f o ruse i n t h e f o r m a t i o n o f n a n o s t r u c t u r e s . A number o f n o n b i o l o g i c a ls y s t e m s , e s p e c i a l l y t h o s e a l r e a d y s h o w i n g s e l f - o r g a n i z i n g b e h a v -i o r , a l s o o f f e r e x a m p l e s o f p o t e n t i a l l y u s e f u l i n t e r a c t i o n s .

M o l e c u l a r c r y s t a l s ar e s e l f - o r g a n i z i n g ( a n d , i n t h e case ofc o - c r y s t a l s , s e l f - a s s e m b l i n g ) s t r u c t u r e s , a n d t h e i n t e r a ct i o n s d e te r -m i n i n g t h e r e l a t i o n b e t w e e n m o l e c u l a r s t r u c t u r e and c r y s t a ls t r u c t u r e are b e g i n n i n g t o b e d i s e n t a n g l e d ( 5 0 ) . L i q u i d c r y s t a l s ar es e l f - o r g a n i z e d p h a s e s i n t e r m e d i a t e i n o r d e r b e t w e e n c r y s t a l s an dl i q u i d s ( 2 0 ) . M i c e l l e s ( 2 2 ) , e m u l s i o n s ( 2 3 ) , and b i l a y e r s of d e t e r -g e n t s a n d l i p i d s d i s p l a y a r i c h v a r i e t y o f s e l f - o r g a n i z i n g b e h a v i o r s .I n o r g a n i c c o o r d i n a t i o n c h e m i s t r y a n d o r ga n om e t a l li c c h e m i s t r yh a v e c a t e g o r i z e d l a r g e numbers o f d i s t i n c t i n t e r a c t i o n s betweenm e t a l i o n s a n d l i g a n d s ; many o f t h e s e ar e r e v e r s i b l e and s e l e c t i v e1 3 1 6

T a b l e 1 . T y p e s o f b o n d s a n d i n t e r a c t i o n s a p p l i c a b l e t o m o l e c u l a r s e l fa s s e m b l y . B o l d f a c e d e n t r i e s i n t h e c o l u m n h e a d e d " E x a m p l e s " a r ei m p o r t a n t i n ( o r t a k e n f r o m ) b i o c h e m i s t r y .B o n d t y p e E x a m p l e s

C o v a l e n t b o n d s t h a t c a n b e D i s u l f i d e s ( R S S R , r i b o n u c l e a s e ) ;f o r m e d a n d b r o k e n v a n a d a t e a n d b o r a t e e s t e r sr e v e r s i b l yI n o r g a n i c m e t a l - l i g a n d M e t a l s a l t s ; o r g a n o m e t a l l i cb o n d s c o m p l e x e s ; z i n c f i n g e r s ( 6 5 )H y d r o g e n b o n d s C r y s t a l l i n e u r e a ; m e l a m i n e c y a n u r a t e ;n u c l e o t i d e b a s e p a i r s ; a m i d eh y d r o g e n b o n d s i n p r o t e i n sE l e c t r o s t a t i c i n t e r a c t i o n s S a l t b r i d g e s i n p r o t e i n s ; c a d m i u mi n v o l v i n g c h a r g e s a r a c h i d a t e b i l a y e r sE l e c t r o s t a t i c i n t e r a c t i o n s C r y s t a l l i n e IC6H4CNi n v o l v i n g d i p o l e sH y d r o p h o b i c i n t e r a c t i o n s M i c e l l e s ; L a n g m u i r - B l o d g e t tm o n o l a y e r s o n w a t e r ; l i p i db i l a y e r s , h y d r o p h o b i c " c o r e s " o fp r o t e i n s , i n c l u s i o n c o m p l e xe s w i t hc y c l o d e x t r i n s ( 6 6 )A r o m a t i c i r - s t a c k i n g a n d N u c l e i c a c i d s ; J - a g g r e g a t e s ( 6 7 )c h a r g e t r a n s f e rV a n d e r W a a l s i n t e r a c t i o n s n - A l k a n e c r y s t a l s ; u r e a i n c l u s i o nc o m p l e x e s

a n d t h u s a r e c a n d i d a t e s f o r u s e i n s e l f - a s s e m b l y ( 5 1 ) . ( S y s t e m s o fi n o r g a n i c r e a c t i o n s t h a t a r e s t a b l e a n d r e v e r s i b l e a t h i g h t e m p e r -a t u r e s a r e p a r t i c u l a r l y r e l e v a n t t o a p p l i c a t i o n s i n m a t e r i a l s s c i -e n c e . ) M o l e c u l a r r e c o g n i t i o n a n d s u p r a m o l e c u l a r c h e m i s t r y a r ea c t i v e f i e l d s o f r e s e a r c h c o n c e r n e d w i t h n o n c o v a l e n t a s s o c i a t i o n( 5 2 ) . C o l l o i d c h e m i s t r y i s a b l e t o p r e c i p i t a t e s m a l l u n i f o r m c r y s t a l so f i n o r g a n i c s o l i d s w i t h a s t o n i s h i n g r e g u l a r i t y i n s i z e a n d p r o p e r -t i e s ( 5 3 ) . S u r f a c e c h e m i s t r y h a s a l r e a d y p r o v i d e d a n u m b e r o fs u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n s o f s e l f - a s s e m b l y ( s u c h a s s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r s a n d e p i t a x y ) ( 2 5 ) . S t r u c t u r e s s u c h a s m i c e l l e s a n dz e o l i t e s p r o v i d e t e m p l a t e s w i t h i n w h i c h n a n o s t r u c t u r e s c a n b ef o r m e d ( 5 4 ) .T h e t y p e s o f b o n d s a n d i n t e r a c t i o n s t h a t h a v e t h e p o t e n t i a l t o b eu s e d i n t h e d e s i g n o f s e l f - a s s e m b l i n g n a n o s t r u c t u r e s a r e s u m m a -r i z e d i n T a b l e 1 . Not a l l o f t h e s e d i f f e r e n t l a b e l s r e p r e s e n tc o m p l e t e l y d i f f e r e n t p h e n o m e n a , b u t s e v e r a l a r e c o m b i n a t i o n s t h a to c c u r s u f f i c i e n t l y f r e q u e n t l y t h a t t h e y a r e o f t e n d i s c u s s e d a ss e p a r a t e t y p e s o f b o n d s . F o r e x a m p l e , t h e h y d r o p h o b i c i n t e r a c t i o nc o m b i n e s v a n d e r W a a l s i n t e r a c t i o n s w i t h t h e e n t h a l p i c a n de n t r o p i c c o n s e q u e n c e s o f r e s t r i c t i n g t h e h y d ro g e n b o n d i n g o fw a t e r n e a r a n o n p o l a r i n t e r f a c e ( 3 4 , 3 5 ) .T h e s u c c e s s w i t h w h i c h n a n o s t r u c t u r e s c a n b e p r e p a r e d b ys e l f - a s s e m b l y w i l l d e p e n d o n t h e s u c c e s s w i t h w h i c h t h e s e i n t e r -a c t i o n s c a n b e u s e d t o b i n d m o l e c u l e s i n t o s t a b l e , s t r u c t u r a l l yw e l l - d e f i n e d a g g r e g a t e s . T h e e n t r i e s i n T a b l e 1 a r e a r r a n g e d v e r yq u a l i t a t i v e l y i n t e r m s o f d e c r e a s i n g v a l u e s o f t h e i r f r e e e n e r g y p e ru n i t o f m o l e c u l a r s u r f a c e a r e a . T h e s t r o n g e r t h e i n t e r a c t i o n , t h es m a l l e r t h e a r e a o f m o l e c u l a r s u r f a c e t h a t m u s t b e d e s i g n e d t oa c h i e v e a g i v e n s t r e n g t h o f i n t e r a c t i o n , a n d t h e e a s i e r t h e s y n t h e t i ct a s k . Most w o r k h a s s o f a r f o c u s e d on a s s e m b l i e s h e l d t o g e t h e r b yh y d r o g e n b o n d s i n n o n - h y d r o g e n b o n d i n g o r g a n i c s o l v e n t s ( u s e dt o m i n i m i z e c o m p e t i t i o n o f t h e s o l v e n t f o r t h e h y d r o g e n b o n d su s e d i n t h e s e l f - a s s e m b l y ) ( 5 5 ) . Van d e r W a a l s , r r - s t a c k i n g ( 5 6 ) ,a n d h y d r o p h o b i c i n t e r a c t i o n s a r e w e a k a n d n o n d i r e c t i o n a l , a n dt h u s d i f f i c u l t t o u s e i n d e s i g n i n g a n d s y n t h e s i z i n g m o l e c u l a rs u r f a c e s o f t r u l y c o m p l e m e n t a r y s h a p e . I n t e r a c t i o n s b e t w e e nc h a r g e d g r o u p s h a v e a l s o b e e n d i f f i c u l t t o u s e b e c a u s e o f s t r o n gi n t e r a c t i o n s o f t h e s e g r o u p s w i t h s o l v e n t s a n d c o u n t e r i o n s a n db e c a u s e t h e y a l s o a r e n o n d i r e c t i o n a l .

SCIENCE, VOL. 25 4


6/8

N a n o s t r u c t u r e D e s i g n a n d S y n t h e s i sAn e x a m p l e b a s e d o n m e l a m i n e c y a n u r a t e . An e x a m p l e o f t h ea p p l i c a t i o n o f t h e p r i n c i p l e s o f s e l f - a s s e m b l y t o t h e s y n t h e s i s o f an a n o s t r u c t u r e c a r r i e d o u t i n o u r l a b o r a t o r y s t a r t s w i t h t h e s o l i d 1 : 1

c o m p l e x f o r m e d o n m i x i n g m e l a m i n e ( M ) a n d c y a n u r i c a c i d ( C A ) i na q u e o u s s o l u t i o n ( 5 7 ) ( F i g . 4 ) . T h i s s t r u c t u r e i s v e r y s t a b l e ( i t c a n b eh e a t e d t o 450C w i t h o u t c h a n g e ) a s a r e s u l t o f t h e n e t w o r k o fh y d r o g e n b o n d s t h a t h o l d s i t t o g e t h e r ( 5 8 ) . I t i s t h e m o s t s y m m e t -r i c a l p r o t o t y p e f o r t h e a r r a y s o f h y d r o g e n b o n d s f o u n d b e t w e e n b a s ep a i r s i n n u c l e i c a c i d s .O u r a p p r o a c h t o t h e c o n s t r u c t i o n o f a m o l e c u l a r a g g r e g a t e w i t hn a n o m e t e r d i m en s i o n s b a s e d o n t h e CA-M l a t t i c e i s s k e t c h e d i n F i g .4 ( 5 9 ) . We c h o s e t o u s e a s o u r c o r e s t r u c t u r e t w o p a r a l l e l p l a n e s o ft h e C AM l a t t i c e , e a c h c o n t a i n i n g o n e h e x a g o n a l a r r a y o f t h r e e C Au n i t s a n d t h r e e M u n i t s . To b r i n g t o g e t h e r 1 2 m o l e c u l e s i n t o o n e i sa n u n f a v o r a b l e p r o c e s s e n t r o p i c a l l y ; m o r e o v er , e v e n i f t h e h y d r o -g e n - b o n d a r r a y w e r e s t r o n g e n o u g h t o p e r m i t a s s e m b l y , t h e r e w a se v e r y r e a s o n t o e x p e c t t h e m t o a s s e m b l e a s o n e s h e e t , n o t t w op a r a l l e l s h e e t s . T h u s , b o t h t o m i n i m i z e t h e e n t r o p i c c o s t o f s e l f -a s s e m b l y a n d t o c o n t r o l t h e s h a p e o f t h e a s s e m b l e d n a n o s t r u c t u r e ,we p r e o r g a n i z e d t h e CA a n d M u n i t s b y c o n n e c t i n g t h e m w i t h a

CAMxH.N (>~H-AHN H --0 =; N-HBOONH'N-"O.6MH-N

0 I ~ M -0 > - H1 2 1F i g . 4 . The CAM l a t t i c e i s shown a t t h e t o p o f t h e f i g u r e . C y a n u r i c a c i d( C A ) i s r e p r e s e n t e d b y t h e n o n s h a d e d d i s k s a n d m e l a m i n e ( M ) b y t h e s h a d e dd i s k s . T h e s t r u c t u r e o f t h e a g g r e g a t e t h a t f o r m s u p o n s e l f - a s s e m b l y o f t h r e ee q u i v a l e n t s o f 1 a n d tw o e q u i v a l e n t s o f 2 i s shown s c h e m a t i c a l l y i n t h em i d d l e o f t h e f i g u r e . The arrows i n d i c a t e t h e c o r r e s p o n d e n c e b e t w e e n t h ec h e m i c a l a n d t h e s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n s .29 NOVEMBER 1991

H3

5

4

6F i g . 5 . F o u r e x a m p l e s o f s y n t h e t i c n a n o s t r u c t u r e s b a s e d o n s e l f - a s s e m b l y .T h e d o u b l e h e l i x 4 i s p r e s e n t e d b o t h i n c h e m i c a l a n d s c h e m a t i c s t r u c t u r e s . Ap o r t i o n o f t h e t r i p l e h e l i x 6 i s s h o w n a s a c h e m i c a l s t r u c t u r e t o i n d i c a t e t h ep a t t e r n o f h y d r o g e n b o n ds t h a t h o l d t h e s i n g l e s t r a n d o f DNA w i t h i n t h ec i r c u l a r p o l y n u c l e o t i d e l o o p .b e n z e n e r i n g a s a c e n t r a l " h u b , " w i t h " s p o k e s " d e s i g n e d t o p o s i t i o nt h e CA a n d M u n i t s i n a p p r o x i m a t e l y t h e c o r r e c t p o s i t i o n s . ( T h ed e l i c a t e b a l a n c e b e t w e e n e n t r o p y a n d e n t h a l p y i n t h e s e s y s t e m s i su n d e r l i n e d b y t h e o b s e r v a t i o n t h a t i f t h e s p o k e s a r e m a d e c o m p l e t e l yf l e x i b l e , t h e d e s i r e d s t r u c t u r e d o e s n o t s e l f - a s s e m b l e : t h e e n t r o p i cc o s t o f f r e e z i n g c o n f o r m a t i o n a l d e g r e e s o f f r e e d o m i n a l o n g , f l e x i b l ea r m i s l a r g e r t h a n t h e e n t h a l p i c r e t u r n o f f o r m i n g a n e t w o r k o fh y d r o g e n b o n d s . ) T h e f i n a l a g g r e g a t e f o r m s q u a n t i t a t i v e l y o nm i x i n g t h e c o m p o n e n t s 1 a n d 2 i n c h l o r o f o r m s o l u t i o n . I t i sr o u g h l y a s p h e r e w i t h d i a m e t e r 2 . 5 n m .T h i s s t r u c t u r e i s a m o d e s t s t a r t a l o n g a p a t h w a y l e a d i n g t of u n c t i o n a l n a n o s t r u c t u r e s . I t i s r e l a t i v e l y s m a l l ( m o l e c u l a r w e i g h t5 5 1 9 ) a n d i t h a s n o f u n c t i o n . I t n o n e t h e l e s s i l l u s t r a t e s t h e b a s i cs t r a t e g y o f t h i s t y p e o f s y n t h e s i s : t h e u s e o f r e v e r s i b l e i n t e r a c t i o n s ( i nt h i s c a s e , h y d r o g e n b o n d s ) t o b i n d t h e p a r t i c i p a t i n g m o l e c u l e s i n t h ea g g r e g a t e ; p r e o r g a n i z a t i o n o f t h e i n t e r a c t i n g g r o u p s t h r o u g h n e t -w o r k s o f c o v a l e n t b o n d s t o c o n t r o l t h e e n t r o p y o f a s s o c i a t i o n a n d t od e t e r m i n e t h e s h a p e o f t h e a g g r e g a t e ; c h o i c e o f t h e c o m p o n e n t s s ot h a t t h e y r e c o g n i z e e a c h o t h e r w i t h h i g h s e l e c t i v i t y ; a n d d e s i g n o ft h e s y s t e m t o s h o w p o s i t i v e c o o p e r a t i v i t y .

O t h e r e x a m p l e s a n d a p p r o a c h e s t o n a n o s t r u c t u r e s b a s e d o n s e l f - a s s e m -b l y . An i m p o r t a n t t h e m e i n c u r r e n t c h e m i s t r y i s t h e s t u d y o fm o l e c u l a r r e c o g n i t i o n : t h a t i s , t h e s p e c i f i c , n o n c o v a l e n t a s s o c i a t i o no f o n e m o l e c u l e w i t h a n o t h e r . S p e c i f i c i t y i n a s s o c i a t i o n i s a l s o t h eh a l l m a r k o f b i o l o g i c a l s y s t e m s . P a i r s o f s p e c i f i c a l l y i n t e r a c t i n gg r o u p s , p r o p e r l y p o s i t i o n e d on d i f f e r e n t m o l e c u l e s , p r o v i d e t h eb a s i s f o r s e l f - a s s e m b l y . A n u m b e r o f e x a m p l e s d r a w n f r o m r e c e n ts t u d i e s a r e s h o w n i n F i g . 5 . C o m p l e x 3 i s b a s e d on h y d r o p h o b i ca s s o c i a t i o n o f 3 - c y c l o d e x t r i n ( 6 0 ) ( a t o r o i d m o l e c u l e t h a t i s a c y c l i ch e p t a m e r o f g l u c o s e ) w i t h a r o m a t i c r i n g s ; t h e t e t r a p h e n y l b o r a t ea n i o n s s e e m a l s o t o b e a t l e a s t l o o s e l y a s s o c i a t e d w i t h t h e a m m o n i -u m c e n t e r i n t h i s c o m p l e x . T h e o l i g o m e r 4 i s b a s e d on c o o r d i n a t i o no f b i p y r i d y l u n i t s t o c o p p e r ( l l ) i o n , a n d i s i n t e r e s t i n g f o r i t s h e l i c a ls t r u c t u r e ( 6 1 ) . T h e t o r o i d a l b i s - b i p y r i d i n i u m c y c l o p h a n e i n 5 i s a b l et o move b a c k a n d f o r t h a l o n g t h e b a c k b o n e , a f a c t t h a t h a s s u g g e s t e di t s u s e i n a f a n c i f u l " m o l e c u l a r a b a c u s " ( 6 2 ) . T h e t r i p l e h e l i x 6 i s ah y d ro g e n - b o n d e d c o m p l ex t h a t i s f o r m e d b e t w e e n a c i r c u l a r p o l y -n u c l e o t i d e a n d a c o m p l e m e n t a r y s i n g l e s t r a n d o f DNA ( 6 3 ) . We

ARTICLES 1 3 1 7


7/8

note t h a t tw o o f t h e s e f o u r s t r u c t u r e s incorporate b i o l o g i c a l l yd e r i v e d components.C h e m i c a l S y n t h e s i s a n d M o l e c u l a rS e l f - A s s e m b l y R o u t e s

T h e s t r a t e g y o u t l i n e d h e r e - t h e u se o f r e v e r s i b l e , n o n c o v a l e n ti n t e r a c t i o n s t o a s s e m b l e r e l a t i v e l y s m a l l m o l e c u l e s i n t o aggregates o fnanometer size-is a s u c c e s s f u l one. B i o l o g y p r o v i d e s c o u n t l e s s exam-p l e s ; t h e e s s e n t i a l p r i n c i p l e s are u n d e r s t o o d ( a l t h o u g h t h e d e t a i l se s s e n t i a l f o r a p p l i c a t i o n s are s t i l l m u r k y ) . T h e s t u d y o f m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n i s g e n e r a t i n g a range o f s p e c i f i c a l l y i n t e r a c t i n g pairs o fm o l e c u l e s ; t h e f i r s t p u r e l y c h e m i c a l e x a m p l e s o f nanostructures area p p e a r i n g ( 5 8 - 6 2 ) . T h e r e i s l i t t l e d o u b t t h a t i t s h o u l d b e p o s s i b l e t og e n e r a t e a b r o a d range o f t y p e s o f nanostructures b y u s i n g s y n t h e t i cc h e m i c a l a p p r o a c h e s : t h a t i s , w o r k i n g " f r o m atoms up " r a t h e r t h a n b yw r i t i n g e v e r - s m a l l e r f e a t u r e s w i t h m i c r o l i t h o g r a p h y .

T h e r e r e m a i n o f course a n u m b e r o f very i m p o r t a n t p r o b l e m s tor e s o l v e i n t h i s t y p e o f s y n t h e s i s . How ca n van d e r W a a l s a n dh y d r o p h o b i c i n t e r a c t i o n s b e u s e d ? T h e y are u b i q u i t o u s i n b i o l o g i c a ls y s t e m s , b u t h a v e b e e n d i f f i c u l t t o use b y d e s i g n i n s y n t h e t i c systems.H o w s h o u l d h y d r o g e n b o n d s b e u s e d i n aqueous s y s t e m s ? A g a i n ,b i o l o g i c a l s y s t e m s r e l y h e a v i l y on h y d r o g e n b o n d i n g , b u t mosts y n t h e t i c s y s t e m s b a s e d on h y d r o g e n b o n d s d i s i n t e g r a t e i n t h epresence o f s o l v e n t s a b l e t o compete f o r t h e h y d r o g e n b o n d s . H owca n c o o p e r a t i v i t y b e b u i l t i n t o s y s t e m s ? B r o a d l y , how can one d e s i g na n d s y n t h e s i z e l a r g e a r e a s o f c o m p l e m e n t a r y m o l e c u l a r s u r f a c e , s i n c et h i s t y p e o f c o m p l e m e n t a r i t y i s t h e b a s i s f o r m o l e c u l a r r e c o g n i t i o na n d s e l f - a s s e m b l y ?

B e y o n d t h e s e q u e s t i o n s , t h e r e i s t h e b r o a d e r i s s u e : " N a n o s t r u c t u r e sf o r w h a t p u r p o s e ? " One d r i v e f o r n a n o s t r u c t u r e s i n e l e c t r o n i c s y s t e m sh a s b e e n t h a t t o w a r d smal f a s t d e v i c e s a n d h i g h - d e n s i t y i n f o r m a t i o ns t o r a g e . E v e n w i t h m i c r o l i t h o g r a p h i c a l l y f a b r i c a t e d s y s t e m s o f semi-c o n d u c t o r s t h e r e a r e s e r i o u s u n c e r t a i n t i e s a b o u t w h a t t y p e s o f s t r u c -t u r e s t o m a k e t o a d d r e s s t h e s e n e e d s ; w i t h c h e m i c a l l y s y n t h e s i z e ds y s t e m s , t h e s e u n c e r t a i n t i e s are even g r e a t e r . E l e c t r o n i c d e v i c e f a b r i -c a t i o n must g e n e r a t e a r r a y s o f i n t e r c o n n e c t e d nanostructures. C h e m -i c a l s y n t h e s i s w o u l d c e r t a i n l y b e a b l e t o m a k e n a n o s t r u c t u r e s a n d may( b y i n d u s i o n o f a p p r o p r i a t e e l e c t r i c a l l y or o p t i c a l l y f u n c t i o n a l g r o u p s )even b e a b l e t o m a k e n a n o s t r u c t u r e s u s e f u l in e l e c t r o n i c s y s t e m s , b u tp o s i t i o n i n g t h e s e s y s t e m s i n a r r a y s a p p r o p r i a t e l y c o n n e c t e d f o r use i ni n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g w o u l d r e q u i r e a new t e c h n o l o g y . T h e p r o b l e mi s no t c o n c e p t u a l l y i n s o l u b l e : s e l f - a s s e m b l y o f t h e s e n a n o s t r u c t u r e s b ya d s o r p t i o n onto a g r i d w r i t t e n b y x - r a y or e l e c t r o n b e a m m e t h o d s i sone a p p r o a c h ; a c t i v e p o s i t i o n i n g o f t h e m w i t h a s c a n n i n g p r o b ed e v i c e ( a d e r i v a t i v e o f an a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p e ) i s a s e c o n d ( 6 4 ) ;a n d a p p r o a c h e s b a s e d l a r g e l y on l o c a l c o n n e c t i v i t i e s ( t h a t i s , c e l l u l a ra u t o m a t a ) m i g h t a l l o w t h e n a n o s t r u c t u r e s t o s e l f - a s s e m b l e i n t o ana p p r o p r i a t e a r r a y , a n d w o u l d b e a t h i r d .A range o f o t h e r , p o s s i b l e n o n e l e c t r o n i c uses f o r n a n o s t r u c t u r e scan b e i m a g i n e d : a s components i n m i c r o s e n s o r s ; a s t h e b a s i s f o rnew c l a s s e s o f m i c e l l e s a n d c o l l o i d s ; a s f u n c t i o n a l components i np o l y m e r s ; a n d a s c a t a l y s t s or r e c o g n i t i o n e l e m e n t s ( a n a l o g o u s toenzymes a n d r e c e p t o r s ) .T h e d e v e l o p m e n t o f n a n o c h e m i s t r y i s j u s t b e g i n n i n g , a n d c u r r e n tw o r k i s f o c u s e d on s t r a t e g i e s a n d t a c t i c s f o r s y n t h e s i s o f n a n o s t r u c -t u r e s . New ways o f a s s e m b l i n g m o l e c u l e s s h o u l d l e a d to new i d e a sf o r t h e i r uses.

1 3 1 8

3 . S e e R . D a g a n i , C h e m . E n g . News 69 ( n o . 2 1 ) , 24 ( 1 9 9 1 ) .4 . R . S c h u m a c h e r , A n g e w . C h e m . I n t . E d . E n g l . 2 9 , 3 2 9 ( 1 9 9 0 ) .5 . S . R o s s a n d I . D . M o r r i s o n , C o l l o i d a l S y s t e m s a n d I n t e r f a c e s ( W i l e y , New Y o r k1 9 8 8 ) .6 . J.-M. L e h n , A n g e w . C h e m . I n t . E d . E n g i . 2 9 , 1304 ( 1 9 9 0 ) .7 . A . N . B r o e r s , A . E . T i m b s , R . K o c h , M i c r o e l e c t r o n . E n g . 9 , 18 7 ( 1 9 8 9 ) ; G. N.T a y l o r , M. O m k a r a m , L . E . S t i l l w a g o n , i b i d . , p. 5 1 3 ; A . N. B r o e r s , C . P . UmbachJ . V a c . S c i . T e c h n o l . B 8 , 1614 ( 1 9 9 0 ) ; S . D. B e r g e r a n d J . M . G i b s o n , A p p l . P h y sL e t t . 5 7 , 1 5 3 ( 1 9 9 0 ) .8 . K . R . S h u l l , K . I . W i n e y , E . L . T h o m a s , E . J . K r a m e r , M a c r o m o l e c u l e s 2 4 , 274( 1 9 9 1 ) .9 . R . M. P e n n e r , M. J . H e b e n , T . L . L o n g i n , N . S . L e w i s , S c i e n c e 2 5 0 , 1118 ( 1 9 9 0 )J . F . R u s l i n g , A c c . C h e m . R e s . 2 4 , 7 5 ( 1 9 9 1 ) .1 0 . G . A . O z i n , A . K u p e r m a n , A . S t e i n , Angew. Chem. I n t . E d . E n g l . 28 , 359 ( 1 9 8 9 )J . - M . B a s s e t t e t a l . , i b i d . 2 9 , 8 0 5 ( 1 9 9 0 ) ; D . R . R ol i so n , C h e m . R e v . 9 0 , 86( 1 9 9 0 ) .1 1 . K . K e r n e t a l . , P h y s . R e v . L e t t . 6 7 , 8 5 5 ( 1 9 9 1 ) .1 2 . A . M o e l , M. L . S c h a t t e n b u r g , J . M. C a r t e r , H. I . S m i t h , J . V a c . S c i . T e c h n o l . B 71 6 9 2 ( 1 9 8 9 ) ; A . M o e l , M. L . S c h a t t e n b u r g , J . M. C a r t e r , H. I . S m i t h , i b i d . 8 , 164( 1 9 9 0 ) .1 3 . I n t h i s a r t i d e , we t a k e a m o l e c u l e to b e a c o l l e c t i o n o f atoms j o in e d t o ge t h et h r o u g h a n e t w o r k o f s t a b l e c o v a l e n t b o n d s .1 4 . R . B . W o o d w a r d , P u r e A p p l . C h e w . 33,145 ( 1 9 7 3 ) ; A . E . E s c h e n m o s e r and C . EW i n m e r , S c i e n c e 1 9 6 , 1 4 1 0 ( 1 9 7 7 ) .1 5 . Y . K i s h i e t a l . , J . Am. C h e m . S o c . 1 1 1 , 7 5 2 5 ( 1 9 8 9 ) .1 6 . F . A . B o v e y a n d F . H . W i n s l o w , M a c r o m o l e c u l e s ( A c a d e m i c P r e s s , New Y o r k1 9 7 9 ) ; R . B . S e y m o u r a n d C . E . C a r r a h e r , J r . , P o l y m e r C h e m i s t r y ( D e k k e r , NeY o r k , 1 9 8 8 ) .1 7 . D . A . F r a n k e l , H . L a m p a r s k i , U . L i m a n , D . F . O ' B r i e n , J . Am. C h e m . S o c . 1119 2 6 2 ( 1 9 8 9 ) .1 8 . N . I s e e t a l . , J . C h e m . P h y s . 7 8 , 5 3 6 ( 1 9 8 3 ) ; N . I s e e t a l . , J . Am . Chem. S o c . 1 0 78 0 7 4 ( 1 9 8 5 ) .1 9 . J . D . W ri g h t, M o l e c u l a r C r y s t a l s ( C a m b r i d g e U n i v . P r e s s , C a m b r i d g e , 1 9 8 7 ) ; G . RD e s i r a j u , E d . , O r g a n i c S o l i d s S t a t e C h e m i s t r y ( E l s e v i e r , A m s t e r d a m , 1 9 8 7 ) ; G . RD e s i r a j u , C r y s t a l E n g i n e e r i n g : T h e D e s i g n o f O r g a n i c S o l i d s ( E l s e v i e r , A m s t e r d a m1 9 8 9 ) .2 0 . P . S . P e r s h a n , S t r u c t u r e o f L i q u i d C r y s t a l P h a s e s ( W o r l d S c i e n t i f i c , S i n g a p o r e1 9 8 8 ) ; P . J . C o l l i n g s , L i q u i d C r y s t a l s : N a t u r e ' s D e l i c a t e P h a s e o f M a t t e r ( P r i n c e t oU n i v . P r e s s , P r i n c e t o n , N J , 1 9 9 0 ) .2 1 . L . E . B r u s e t a l . , J . Am. C h e m . S o c . 1 1 2 , 1 3 2 7 ( 1 9 9 0 ) .2 2 . J . H . F e n d l e r , M e m b r a n e M i m e t i c C h e m i s t r y ( W i l e y , New Y o rk , 1 9 8 2) ; W. G . M i l l ee t a l . , J . C o l l o i d I n t e f a t c e S c i . 1 4 2 , 7 4 ( 1 9 9 1 ) .2 3 . K . S h i n o d a a n d S . F r i b e r g , E m u l s i o n s a n d S o l u b i l i z a t i o n ( W i l e y , New Y o r k , 1 9 8 6 )2 4 . H . R i n g s d o r f , B . S c h l a r b , J. V e n z m e r , A n g e w . C h e m . I n t . E d . E n g i . 2 7 , 1 1( 1 9 8 8 ) ; H . R i n g s d o r f e t a l . , i b i d . 2 9 , 1 2 6 9 ( 1 9 9 0 ) .2 5 . G . M. W h i t e s i d e s e t a l . , J . Am. C h e m . S o c . 1 1 1 , 3 2 1 ( 1 9 8 9 ) ; G . M. W h i t e s i d ea n d P . E . L a i b i n i s , L a n g m u i r 6 , 8 7 ( 1 9 9 0 ) .2 6 . S e e T h e T h e o r y o f t h e P h o t o g r a p h i c P r o c e s s , T . H . J a m e s , E d . ( M a c m i l l a n , New Y o r ke d . 4 , 1 9 7 7 ) , pp . 1 - 5 1 .2 7 . H . I . S m i t h a n d H . G . C r a i g s h e a d , P h y s . T o d a y 4 2 , 2 4 ( F e b r u a r y 1 9 9 0 ) .

2 8 . M. A . O l s h a v s k y , A . N . G o l d s t e i n , A . P . A l i v i s a t o s , J . Am. C h e m . S o c . 1 1 2 , 9 4 3( 1 9 9 0 ) ; D . C . C o t t e r , H . P . G r i d l e s t o n e , K . M o u l d i n g , A p p l . P h y s . L e t t . 5 8 , 1 4 5( 1 9 9 1 ) .2 9 . We a n d o t h e r s w o r k i n g i n s e l f - a s s e m b l y o f t e n i n c l u d e t h e f o r m a t i o n o f c o v a l e n t ll i n k e d s t r u c t u r e s u n d e r t h i s r u b r i c . We e x c l u d e c o v a l e n t l y l i n k e d s t r u c t u r e s h e rb e c a u s e we b e l i e v e t h a t t h e p r i n c i p l e s o f s e l f - a s s e m b l y are c l e a r e s t a t t h e r m o d yn a m i c e q u i l i b r i u m , a n d b e c a u s e t h e most h i g h l y o r d e r e d s t r u c t u r e s w o u l d u s u a l lb e o b t a i n e d u n d e r t h e s e c o n d i t i o n s . S u c c e s s f u l c o v a l e n t s e l f - a s s e m b l y o r d i n a r i lf o r m s t h e c o v a l e n t b o n d s w i t h i n m o l e c u l a r aggregates t h a t h a v e a l r e a d y o r d e r et h e m s e l v e s b y n o n c o v a l e n t s e l f - a s s e m b l y .3 0 . T . E . C r e i g h t o n , P r o t e i n s : S t r u c t u r e an d M o l e c u l a r P r i n c i p l e s ( F r e e m a n , New Y o r k1 9 8 3 ) .3 1 . B . A l b e r t s e t a l . , M o l e c u l a r B i o l o g y o f t h e C e l l ( G a r l a n d , New Y o r k , e d . 2 , 1 9 8 9 ) , p p8 4 - 8 5 .3 2 . T . E . C r e i g h t o n , B i o c h e n . J . 2 7 0 , 1 ( 1 9 9 0 ) ; J . S . W e i s s m a n a n d P . S . K i m , S c i e n2 5 3 , 1 3 8 6 ( 1 9 9 1 ) .3 3 . C . L . B r o o k s I l l , M. K a r p l u s , B . M. P e t t i t t , P r o t e i n s : A T h e o r e t i c a l P e r s p e c t i v eD y n a m i c s , S t r u c t u r e , a n d T h e r n o d y n a m i c s ( W i l e y , New Y o r k , 1 9 8 6 ) .3 4 . C . T a n f o r d , T h e H y d r o p h o b i c E j f e c t ( W i l e y , New Y o r k , 1 9 8 0 ) ; P . L . P r i v a l o v a nS . J . G i l l , A d v . P r o t . C h e m . 3 9 , 1 9 1 ( 1 9 8 8 ) ; K . A . D i l l , S c i e n c e 2 5 0 , 2 9 7 ( 1 9 9 0 )P . L . P r i v a l o v , S . J . G i l l , K . P . M u r p h y , i b i d . , p . 2 9 8 ; K . P . M u r p h y , P . L . P r i v a l o vS . J . G i l l , i b i d . 2 4 7 , 5 5 9 ( 1 9 9 0 ) ; J . H e r z f i e l d , i b i d . 2 5 3 , 8 8 ( 1 9 9 1 ) .3 5 . K . A . S h a r p , A . N i c h o l l s , R . F . F i n e , B . H o n i g , i b i d . 2 5 2 , 1 0 6 ( 1 9 9 1 ) .3 6 . J . M. T h o r n t o n a n d S . P . G a r d n e r , T r e n d s B i o l . S c i . 1 4 , 3 0 0 ( 1 9 8 9 ) .3 7 . A . M a t o u s c h e k , J . T . K e l l i s , J r . , L . S e r r a n o , A . R . F e r s h t , N a t u r e 3 4 0 , 1 2 2 ( 1 9 8 9 )R . L . B a l d w i n , T r e n d s B i o l . S c i . 1 4 , 2 9 1 ( 1 9 8 9 ) ; G . D . F a s m a n , i b i d . , p . 2 9 5 ; RJ . E l l i s a n d S . M. H e m m i n g s e n , i b i d . , p . 3 3 9 ; H . S . C h a n a n d K . A . D i l l , P r o c . N a t dA c a d . S c i . U . S . A . 8 7 , 6 3 8 8 ( 1 9 9 0 ) .3 8 . J . S . R i c h a r d s o n a n d D . C . R i c h a r d s o n , T r e n d s B i o l . S c i . 1 4 , 3 0 4 ( 1 9 8 9 ) ; MM u t t e r a n d S . V u i l l e u m i e r , A n g e w . C h e m . I n t . E d . E n g i . 2 8 , 5 3 5 ( 1 9 8 9 ) ; W.D e G r a d o , Z . R . W a s s e r m a n , J . D . L e a r , S c i e n c e 2 4 3 , 6 2 2 ( 1 9 8 9 ) .3 9 . M. L . B r a d e r a n d M. F . D u n n , T r e n d s B i o l . S c i . 1 6 , 3 4 1 ( 1 9 9 1 ) .

4 0 . A . R . S u b r a m a n i a n , Essays B i o c h e m . 2 1 , 45 ( 1 9 8 5 ) ; M . N o m u r a , S c i e n c e 1 7 9 , 8 6( 1 9 7 3 ) .4 1 . A . K l u g , A n g e w . C h e m . I n t . E d . E n g l . 2 2 , 56 5 ( 1 9 8 3 ) .4 2 . H. F r a e n k e l - C o n r a t a n d R . C . W i l l i a m s , P r o c . N a d . A c a d . S c i . U . S . A . 4 1 , 69( 1 9 5 5 ) .

SCIENCE, VOL. 25

REFERENCES AND NOTES1 . A . S . M o f f a t , MOSAIC 2 1 , 3 0 ( 1 9 9 0 ) .2 . F o r a r e c e n t r e v i e w o f t h e p r i n c i p l e s o f b i o l o g i c a l s e l f - a s s e m b l y a n d t h e i r p o t e n t i a la p p l i c a t i o n t o c h e m i c a l s y n t h e s i s , s e e J . S . L i n d s e y , N e w J . C h e m . 1 5 , 1 5 3 ( 1 9 9 1 ) .


8/8

4 3 . M. A a u f f e r , E n t r o p y - D r i v e n P r o c e s s e s ( S p r i n g e r - V e r l a g , New Y o r k , 1 9 7 5 ) .4 4 . W. S a e n g e r , P r i n c p l e s o f N u c l e i c A c i d S t c t u r e ( S p r i n g e r - V e r l a g , New Y o r k , 1 9 8 6 ) .4 5 . C . R . C a n t o r a n d P . R . S ch i m m el , B i o p h y s i c a l C h e m i s t r y P a r t I I I ( F r e e m a n , S a nF r a n c i s c o , 1 9 8 0 ) , pp . 1 1 0 9 - 1 2 6 4 .4 6 . P . R . S ch i m m el , A n n u . R e v . B i o c h e m . 5 6 , 1 2 5 ( 1 9 87 ); A . A . B o g d a n o v , T r e n d sB i o l . S c i . 1 4 , 5 0 5 ( 1 9 8 9 ) ; C . W. A . P l e i j , i b i d . 1 5 , 1 4 3 ( 1 9 9 0 ) .4 7 . E . J . C o r e y a n d X . - M . M i n g , The L o g i c o f C h e m i c a l S y n t h e s i s ( W i l e y , New Y o r k ,1 9 8 9 ) .4 8 . D . B . S m i t h r u d , T . B . W y m a n , F . D i e d e r i c h , J . Am. C h e m . S o c . 1 1 3 , 5 4 2 0( 1 9 9 1 ) .4 9 . J . M. McCammon a n d S . G . H a r v ey , D y n am i c s o f P r o t e i n s a n d N u c l e i c A c i d s( C a m b r i d g e U n i v . P r e s s , New Y o r k , 1 9 8 7 ) ; W. L . J o r g e n s o n , C H E M T R A C T S 4 ,9 1 ( 1 9 9 1 ) .5 0 . M . C . E t t e r , A c c . C h e m . R e s . 2 3 , 1 2 0 ( 1 9 9 0 ) ; J . A . Z e r k o w s k i , C . T . S e t o , D . A .W i e rd a , G . M. W h i t e s i d e s , J . Am. C h e m . S o c . 1 1 2 , 9 0 2 5 ( 1 9 9 0 ) ; M. C . E t t e r , J .P h y s . C h e m . 9 5 , 4 6 0 1 ( 1 9 9 1 ) .5 1 . R . W. S a a l r a n k , A. S t a r k , M . B r e m e r , H . - U . H u m m e l , A n g e w . C h e m . I n t . E d .E n g i . 2 9 , 3 1 1 ( 1 9 9 0 ) .5 2 . J . - M . L e h n , i b i d . 2 7 , 8 9 ( 1 9 8 8 ) ; C . J . P e d e r s e n , i b i d . , p . 1 0 2 1 ( 1 9 8 8 ) ; D . J . C r a m ,i b i d . , p . 1 0 0 9 ; F . D i e d e r i c h , i b i d . , p . 3 6 2 ; J . F . S t o d d a r t , A n n u . R e p . P r o g . C h e m .S e c t . B 8 6 , 3 5 3 ( 1 9 8 9 ) .5 3 . H . W. D e c k m a n e t a l . , J . V a c . S c i . T e c h n o l . B 6 , 3 3 3 ( 1 9 8 8 ) .5 4 . G . D . S t u c k y e t a l . , J . Am. C h e m . S o c . 1 1 1 , 8 0 0 6 ( 1 9 8 9 ) ; G . A. O z i n e t a l . , A d v .M a t e r . 3 , 3 0 6 ( 1 9 9 1 ) .

5 5 . J . R e b e k , J r . , A n g e w . C h e m . I n t . E d . E n g l . 2 9 , 2 4 5 ( 1 9 9 0 ) .5 6 . C . A . H u n t e r a n d J . K . M. S a n d e r s , J . Am. C h e m . S o c . 1 1 2 , 5 5 2 5 ( 1 9 9 0 ) .5 7 . T h e CAM c y c l i c h e x a m e r i s t h e p r e s u m e d structure o f t h e 1 : 1 c o m p l e x f o r m e db e t w e e n c y a n u r i c a c i d a n d m e l a m i n e . T h e r e s u l t s f r o m p o w d e r d i f f r a c t i o n s t u d i e sare c o n s i s t e n t w i t h t h i s s t r u c t u r a l m o t i f ( J . Z e r k o w s k i , R . Graham, G . M .W h i t e s i d e s , u n p u b l i s h e d r e s u l t s ) . T h e c r y s t a l structure o f t h e CAKM3HCl c o m p l e xh a s b e e n r e p o r t e d [ Y . W a n g , B . W e i , Q . Wang, J . C r y s t a l l o g r . S p e c t r o s c . R e s . 2 0 ,7 9 ( 1 9 9 0 ) ] .5 8 . C . T . S e t o a n d G . M. W h i t e s i d e s , J . Am. C h e m . S o c . 1 1 2 , 6409 ( 1 9 9 0 ) .5 9 . _,b i d . 1 1 3 , 7 1 2 ( 1 9 9 1 ) .6 0 . J . S . M a n k a a n d D . S . L a w r e n c e , i b i d . 1 1 2 , 2 4 4 0 ( 1 9 9 0 ) .6 1 . U . K o e r t , M. M. H a r d i n g , J . - M . L e h n , N a t u r e 3 4 6 , 3 3 9 ( 1 9 9 0 ) .6 2 . D . P h i l p a n d J. F . S t o d d a r t , S y n l e t t ( 1 9 9 1 ) , p. 4 4 5 .6 3 . G . P r a k a s h a n d E . T . K o o l , J . C h e m . S o c . C h e m . C o m m u n . 1 9 9 1 , 1 1 6 1 ( 1 9 9 1 ) .6 4 . S . L . T a n g , C h e m . T e c h . ( 1 9 9 1 ) , p . 1 8 2 .6 5 . N . P . P a v l e t i c h a n d C . 0. P a b o , S c i e n c e 2 5 2 , 8 0 9 ( 1 9 9 1 ) .6 6 . R . B r e s l o w , i b i d . 2 1 8 , 5 3 2 ( 1 9 8 2 ) ; see a l s o C a r b o h y d r . R e s . 1 9 2 , 1 - 3 7 0 ( 1 9 8 9 ) f o ra f u l l o v e r v i e w o f c y c l o d e x t r i n r e s e a r c h .6 7 . S e e ( 2 6 ) , p . 2 1 8 .6 8 . S u p p o r t e d i n p a r t b y t h e N a t i o n a l S c i e n c e F o u n d a t i o n ( g r a n t s no . CHE 8 8 - 1 2 7 0 9a n d no . DMR 8 9 - 2 0 4 9 0 ) a n d b y t h e O f f i c e o f N a v e l R es e ar c h a n d t h e D e f e n s eA d v a n c e d P r o j e c t s R e s e a r c h A g e n c y ( g r a n t no . N 0 0 0 1 4 - 8 6 - K - 0 7 5 6 ) . J . P . M .a c k n o w l e d g e s support f r o m t h e S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C o u n c i l in t h eU n i t e d K i n g d o m f o r a NATO P o s t d o c t o r a l F e l l o w s h i p ( 1 9 9 1 - 9 3 ) .

Atomic and Molecular Manipulation with the0Scanning Tunneling MicroscopeJ O S E P H A . S T R O S C I O AND D . M. E I G L E R

T h e p r o s p e c t o f m a n i p u l a t i n g m a t t e r o n t h e a t o m i c s c a l eh a s f a s c i n a t e d s c i e n t i s t s f o r d e c a d e s . T h i s f a s c i n a t i o n mayb e m o t i v a t e d b y s c i e n t i f i c a n d t e c h n o l o g i c a l o p p o r t u n i -t i e s , o r f r o m a c u r i o s i t y a b o u t t h e c o n s e q u e n c e s o f b e i n ga b l e t o p l a c e a t o m s i n a p a r t i c u l a r l o c a t i o n . A d v a n c e s i ns c a n n i n g t u n n e l i n g m i c r o s c o p y h a v e m a d e t h i s p r o s p e c t ar e a l i t y ; s i n g l e a t o m s c a n b e p l a c e d a t s e l e c t e d p o s i t i o n sa n d s t r u c t u r e s c a n b e b u i l t t o a p a r t i c u l a r d e s i g n a t o m -b y - a t o m . A t o m s a n d m o l e c u l e s may b e m a n i p u l a t e d i n av a r i e t y o f w a y s b y u s i n g t h e i n t e r a c t i o n s p r e s e n t i n t h et u n n e l j u n c t i o n o f a s c a n n i n g t u n n e l i n g m i c r o s c o p e .S o m e o f t h e s e r e c e n t d e v e l o p m e n t s a n d some o f t h ep o s s i b l e u s e s o f a t o m i c a n d m o l e c u l a r m a n i p u l a t i o n a s at o o l f o r s c i e n c e a r e d i s c u s s e d .T E SCANNING TUNNELINGMICROSCOPE (STM) CAN IMAGEt h e s u r f a c e o f c o n d u c t i n g m a t e r i a l s w i t h a t o m i c - s c a l e d e t a i l .A s w i t h o t h e r m i c r o s c o p e s , we use t h e ST M t o e x t e n d ou rv i s i o n t o a r e a l m w h e r e ou r e y e s cannot s e e . I n t u n n e l i n g m i c r o s -copy we c o n v e n t i o n a l l y r e c o r d an i m a g e t h a t i s a map o f t h et r a j e c t o r y o f a p r o b e t i p over a s u r f a c e w h i l e t h e h e i g h t o f t h e p r o b et i p i s c o n s t a n t l y a d j u s t e d t o m a i n t a i n a c o n s t a n t t u n n e l i n g c u r r e n tb e t w e e n t h e t i p a n d t h e s u r f a c e . S u c h i m a g e s r e f l e c t b o t h t h et o p o g r a p h y a n d t h e e l e c t r o n i c s t r u c t u r e o f t h e s u r f a c e ( 1 ) . The ST M

2 9 NOVEMBER 1 9 9 1

may a l s o b e u s e d t o l o c a l l y m o d i f y s u r f a c e s ( 2 ) . I n t h e l a s t f e w yearse f f o r t s a l o n g t h e s e l i n e s h a v e c u l m i n a t e d i n t h e a b i l i t y t o m a n i p u l a t ei n d i v i d u a l atoms a n d m o l e c u l e s w i t h a t o m i c - s c a l e p r e c i s i o n , a g o a lt h a t h a s i n t r i g u e d s c i e n t i s t s f o r d e c a d e s ( 3 ) . I n a s e n s e , we may uset h e ST M t o e x t e n d ou r t o u c h to a r e a l m w h e r e ou r h a n d s ar e s i m p l yto o b i g . I n t h i s a r t i c l e we r e v i e w how t h e ST M may b e u s e d t om a n i p u l a t e matter on t h e a t o m i c s c a l e a n d d i s c u s s t h e p h y s i c a lm e c h a n i s m s i n v o l v e d .A v a r i e t y o f d i f f e r e n t a t o m i c m a n i p u l a t i o n processes h a v e b e e nd e m o n s t r a t e d w i t h t h e S T M . We may d i v i d e t h e s e processes i n t o tw oc l a s s e s : p a r a l l e l p r o c e s s e s a n d p e r p e n d i c u l a r p r o c e s s e s . I n p a r a l l e lp r o c e s s e s an a d s o r b e d atom or m o l e c u l e i s i n d u c e d t o move a l o n g t h es u r f a c e . I n p e r p e n d i c u l a r p r o c e s s e s t h e atom or m o l e c u l e i s t r a n s f e r r e df r o m t h e s u r f a c e t o t h e t i p o f t h e STM or v i c e v e r s a . I n b o t h p r o c e s s e sthe g o a l i s t h e p u r p o s e f u l r e a r r a n g e m e n t o f matter on t h e a t o m i c s c a l e .We may v i e w t h e a c t o f r e a r r a n g e m e n t a s a s e r i e s o f s t e p s t h a t r e s u l t si n t h e s e l e c t i v e m a k i n g a n d b r e a k i n g o f c h e m i c a l b o n d s b e t w e e na t o m s , o r , e q u i v a l e n t l y , a s a p r o c e d u r e t h a t causes a c o n f i g u r a t i o n o fatoms t o e v o l v e a l o n g some t i m e - d e p e n d e n t p o t e n t i a l energy h y p e r -s u r f a c e f r o m an i n i t i a l t o a f i n a l c o n f i g u r a t i o n . B o t h p o i n t s o f v i e ws h o u l d prove u s e f u l i n u n d e r s t a n d i n g t h e p h y s i c a l m e c h a n i s m s b yw h i c h atoms may b e m a n i p u l a t e d w i t h t h e STM.P a r a l l e l P r o c e s s e s

T h e f i r s t c l a s s o f a t o m i c m a n i p u l a t i o n p r o c e s s e s t h a t we d i s c u s s i sp a r a l l e l p r o c e s s e s , t h a t i s , p r o c e s s e s i n w h i c h t h e m o t i o n o f t h em a n i p u l a t e d a d s o r b a t e atom or m o l e c u l e i s p a r a l l e l t o t h e s u r f a c e .We d i s c u s s tw o p a r a l l e l p r o c e s s e s , f i e l d - a s s i s t e d d i f f u s i o n and t h es l i d i n g p r o c e s s . I n t h i s c l a s s o f p r o c e s s e s t h e bond b e t w e e n t h em a n i p u l a t e d atom a n d t h e u n d e r l y i n g s u r f a c e i s never b r o k e n , b y

ART I C L ES 1319

J . A . S t r o s c i o i s a p h y s i c i s t i n t h e E l e c t r o n a n d O p t i c a l P h y s i c s D i v i s i o n , N a t i o n a lI n s t i t u t e o f S t a n d a r d s a n d T e c h n o l o g y , G a i t h e r s b u r g , MD 2 0 8 9 9 . D . M. E i g l e r i s aR e s e a r c h S t a f f Member o f t h e IBM R e s e a r c h D i v i s i o n , A l m a d e n R e s e a r c h C e n t e r , S a nJ o s e , C A 9 5 1 2 0 .

Documents

1991_science_Molecular Self-Assembly and Nanochemistry a Chemical Strategy for the Synthesis of Nanostructures