未来更小型、更复杂的机器不能用现有的方法制造，它们必须制造自身
我们的世界到处是机器——由人类制造部件再由人类组装的无生命体。汽车、计算机、电话、面包炉及螺丝刀的数远远超过我们的数量。尽管机器的数量激增，但如果没有人的介入，却仍然没有一台机器能自身复制。
21世纪，科学家们将推出一种制造策略，它的基础实际上是能制造自身的材料和机器，被称作自组装。说明它不是什么是定义它的最容易的方法。自组装过程是一种人类不主动介入的过程。其中的原子、分子、分子团和组件自动排成有序起作用的实体而不需人的介入。与此相反，月前大多数制造方法要有较大程度的人的导演，我们或我们操纵的机器控制精制造和组装的许多重要因素，自组装从建造中排除了人之手。人们可以设计过程，然后起动它，一旦开始运行，过程就将按照它自己内部的计划进行，可能朝着一个更有力的稳定状态，或者向着某个系统，其形式和功能已经在它的部件中编码。
图1 树叶上的雨滴表明热力学自组装
自组装的概念不是新的。它是出自自然界的启示。自然界有大量的自组装的例子、考虑一片树叶上的雨滴（图1），液滴有一个光滑、弯曲的表面，恰是光学透镜所要求的形状。磨制这种透镜是一项费力的工作，液滴却自动地呈现这种形状，因为液4界面上的分子比内部的分子稳定性低，热力学定律要求雨滴采取这种形状，以使不稳定的表面最小而稳定性最高。这种自组装形式称作热力学自组装，只用于构成最简单的结构。另一方面，生命有机体却是最复杂的，他们也是自组装的，细胞每次分裂都复制自身。细胞内复杂的分子指示着他的功能。复杂的亚结构有助于支撑细胞，根据细胞内的能量耗散结构，细胞的复杂性构造是热力学平衡的、要求有腺苷三磷酸酶（ATP）这样的复杂分子，一个胚胎，乃至最终一个新的生命都可以由两个细胞的联合体产生，而不管人是否参与其进程，生命中包含的自组装类型叫编码自组装，因为系统设计的指令是含在他的组件中的。用一套已建立的指令设计材料以使它们能模仿生命的复杂性，这种想法具有强烈的吸引力。研究者们仅仅开始了解能利用这种方法的结构和工作，编码的自组装确实是下一世纪的观念。
一些普通产品的制造也利用了自组装的原理。比如，大多数窗玻璃叫作浮法玻璃，是用在熔融的金属池中浮起熔融的玻璃的方法制造的。金属要变得光滑平坦以使它的表而积最小，因而，其上部的玻璃从光学角度也变得光滑均匀平坦。这种方法比用其它工艺生产出玻璃再磨制抛光要便宜得多，浮法玻璃的表面质量也更高。同样，传统的制造方法不能确定半导体晶体中硅原子和掺杂原子的位置，熔融硅中长出的晶体遵从热力学定理而不是人的推测。
这些例子表明了自组装的潜力。这些材料几乎都是偶然得到的，然而在以后几十年里，材料科学家将开始刻意地设计明确包含自组装原理的机器和制造系统。这种方法会有许多优点，它能使材料的组装产生许多新奇的性能，消除人的劳动可能产生的失误和损耗。热衷于微技术的人所预想的未来的微型机器，几乎可以肯定需要采用自组装的方法建造。
从材料到机器
自组装机器的合理设计始于自组装材料的合理设计。球状的、被称作类脂体的显微胶囊是最早期的成功之一。从60年代以来，生物医学研究者一直在试验，将类脂体作为身体里传送药物的载体。因为胶囊保护它的“货物"不被酶分解，因而在类脂体外壳内的药物就能比其它方法保持更长的时间的活性。
类脂体的模型是细胞膜，它是自然界中自组装的最惊人的例子之一。细胞膜主要由叫作磷脂的分子组成，它们具有双重性 :磷脂的一端是亲水的，而另一端是斥水的。放在水中，分子自发地形成双层，亲水的一端与水接触，而斥水的一端指向另一边。研究者利用这些磷脂制造类脂体，如果有足够多的分子，磷脂的双层膜将长成一个球体（图2），其内部可容纳药物分子。接着类脂体被注入人体，药物可由漏孔或球体破溃时释放出来。类脂体药物传送系统流行于临床试验中。
图2 类脂体球
“萨姆”
自然界的例子有助于说明类脂体的研究，但许多自组装行为的研究几乎必须从零开始。一种自组装单层膜被研究它的人亲切地称为“萨姆”，它是表明材料研究考正在利用的设计原理的简单原型。“萨姆”是一、二个纳米厚的有机分子膜，它在被吸附的基体上形成两维晶体。“萨姆”的分子是香肠形的，长度比宽度长。它的一端是一个原子或一组原子，与表面有很强的互作用，而另一端，化学家们可挂上各种原子团，从而改变了“萨姆”形成的新表面的性能。
对“萨姆”的最广泛的研究系统是由叫作烷硫醇的分子构成，这种分子有较长的碳氢链，一端有硫原子。硫在金的或银的基底上吸附得很好，譬如说，当在玻璃板上镀以金的薄膜，然后浸入烷硫醇溶液中，硫原子就吸附在金膜上。吸附在表面的硫原子间距与分子其余部分的横截面直径相近，烷硫醇分子排列在一起，产生了一个两维晶体，这种晶体的厚度可以由改变碳氢链的长度而控制。晶体表面的性能可以很精确地改变，譬如，联接不同的未端原子团，表面可以是亲水的或斥水的，这转而可能影响它的粘着、腐蚀和润滑。如果烷硫醇在金膜上画成特殊的图案，就可以用来研究不同有机物基底上细胞的生长或者制造光学仪器上使用的衍射光栅。与大多数表面改性的方法相比，所有这些操作简单而便宜，既不要求高真空设备也不需要平板印刷术。
巴基管
自组装已经生产出微小的石墨管，可以与已制出的最细的电线媲美，这些管叫巴基管，因为它们与碳的巴基球结构相近。称作巴基球是因为碳的结构与巴基敏斯特 · 富勒的多面体穹隆一样，巴基管由几个相互套入的、同轴的圆筒组成，直径为纳米级。因为它们由石墨——大气压下碳的热力学稳定状态一一构成，因此，它们倾向于在允许碳向热力学平衡状态移动的条件下形成。
在一种工艺中，一小滴液体金属暴露于高温的一种碳源中，譬如苯。碳溶解在金属滴的一面，而在另一面凝结，其原因还不太清楚。当它凝结时，就形成一个石墨环管，其直径由液滴的尺寸固定。当碳不断输入，管子就从液滴连续生长。因为提供成千上万个金属液滴很简单，所以就能在一个反应器中同时生成成千上万个巴基管。这些管是电的良导体，虽然还不清楚它们的连续结构，化学家们希望使用这种管子作为掺杂体来增加复合物和其它非导体的电导率以及未来用它们制造电路。
确实，巴基管可能是研制材料研究者们称为具有晶体记忆的自组装材料的方法之一，这种方法更有前途。这种自组装，对平面记忆呈现三维图形，用于今天的显微电子装置中。目前，晶体记忆还是纯概念性的，还没有一个部件，即使是原理式的。在实验室中演示，但是却可以想象。
晶体记忆的最小单位是一个硅片，或其它能进行各种微电子操作的半导体材料，埋入了指令以指示它在被类似的硅片的信号激发后加何动作。这些单元能自动地聚集或晶化成一个单一的大单元，很像由较小的组件构成的类脂体或“萨姆”。在它们的新构型中，硅片付彼此激发形成电的连接。根据埋入的程序，从那些连接而来的信号将触发单元开始变化成特别角色 :输入或输出单元、开关、记忆细胞等等。
如果认为这样一个装置似乎是不可能的，就考虑一下刚才所描述的过程在自然界有许多先例，事实上，由简单亚单元构成的各种生命形式都能在它们之间通信。微电子记忆装置未来可能由较小的部件晶化来自行建造，开创制造业中的一个新纪元。
[Scientific American，1995年第9期]