Self-assembly of emulsion droplets through programmable folding

折叠(DSP实现) 纳米技术 工具箱 化学物理 物理 材料科学 计算机科学 电气工程 工程类 程序设计语言
作者
Angus McMullen,Maitane Muñoz Basagoiti,Zorana Zeravcic,Jasna Brujić
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:610 (7932): 502-506 被引量:91
标识
DOI:10.1038/s41586-022-05198-8
摘要

In the realm of particle self-assembly, it is possible to reliably construct nearly arbitrary structures if all the pieces are distinct1,2,3, but systems with fewer flavours of building blocks have so far been limited to the assembly of exotic crystals4,5,6. Here we introduce a minimal model system of colloidal droplet chains7, with programmable DNA interactions that guide their downhill folding into specific geometries. Droplets are observed in real space and time, unravelling the rules of folding. Combining experiments, simulations and theory, we show that controlling the order in which interactions are switched on directs folding into unique structures, which we call colloidal foldamers8. The simplest alternating sequences (ABAB...) of up to 13 droplets yield 11 foldamers in two dimensions and one in three dimensions. Optimizing the droplet sequence and adding an extra flavour uniquely encodes more than half of the 619 possible two-dimensional geometries. Foldamers consisting of at least 13 droplets exhibit open structures with holes, offering porous design. Numerical simulations show that foldamers can further interact to make complex supracolloidal architectures, such as dimers, ribbons and mosaics. Our results are independent of the dynamics and therefore apply to polymeric materials with hierarchical interactions on all length scales, from organic molecules all the way to Rubik’s Snakes. This toolbox enables the encoding of large-scale design into sequences of short polymers, placing folding at the forefront of materials self-assembly.
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