Выделяют четыре иерархических метода (стратегии), которые позволяют ассемблировать сложные наноструктуры из элементарных компонентов:
- последовательный ковалентный синтез;
- ковалентная полимеризация;
- самосборка;
- самоассемблирование.
Последовательный ковалентный синтез используется для создания множества малых органических молекул, которые имитируют функции биологических аналогов. В этом случае функциональные группы или отдельные атомы непосредственно связываются друг с другом в ковалентные молекулы необходимой формы. Атомы могут быть скомбинированы практически в любых комбинациях, включая сильно деформированные и напряженные конструкции.
Ковалентная полимеризация – структуры строятся из модульных блоков, которые соединяются в линейные или разветвлённые цепи. Например, химический синтез ДНК твердотельными методиками и синтез ДНК в клетках.
Самосборка или самоорганизующийся синтез. В этом случае также используется принцип модульной сборки, но модули соединяются в структуру нековалентно. Типичными примерами являются молекулярные кристаллы (например, твердый кислород или метан, кристаллы сахара или белка) и жидкие кристаллы (в дисплеях мобильных телефонов и мониторов). В клетках примерами самособранных структур являются мицеллы и биомембраны собранные из липидов (липосомы для доставки лекарств). При самосборке молекулы формируют структуру, достигая термодинамического энергетического минимума, спонтанно находя при этом самую энергетически выгодную комбинацию взаимодействий между модулями, но, не формируя ковалентных связей между ними.
Самоассемблирование определяется как спонтанное ассемблирование молекул в структурированные, стабильные, нековалентно-связанные агрегаты. Два наиболее распространённых процесса самоассемблирования это:
- белковый фолдинг,
- самоассемблирование мультиглобулярных структур.
Оба процесса включают быстрый перебор (вследствие случайных термических флуктуаций) различных возможных конформаций до тех пор, пока не будет достигнут термодинамический минимум. Высокоспецифичные взаимодействия определяют геометрию финальной структуры.