目前，材料的自組裝需要一個具有給定形狀和多種交互風格和優勢的構建塊工具箱，以確保產品的獨特性。相比之下，使用有限的主色調實現任意結構的高產量自組裝仍然是一個關鍵挑戰。鑒于此，紐約大學Jasna Brujic和巴黎文理研究大學Zorana Zeravcic等人轉向生物學的概念，即通過線性鏈的折疊來進行自組裝，類似于蛋白質和RNA的折疊，并將其應用于材料科學。該系統由兩種特色的膠體液滴組成，標記為藍色（A）和黃色（B），用互補DNA鏈進行功能化。如圖1所示，這些液滴不可逆地與二價結合，形成交替膠體的主鏈。液滴分散在水性磁流體中，研究人員施加間歇磁場來加速鏈式過程，導致鏈長呈指數分布。這些鏈是熱的和自由連接的，因為即使在液滴結合后，DNA也會在表面擴散。為了介導折疊，每個液滴都被額外的DNA鏈功能化，這些DNA鏈充當較弱的二級相互作用。液滴的優點是，它們在結合后可以自由重新排列，便于折疊。如果所有的相互作用都同時開啟，就會得到一個折疊幾何的混合物作為最終產品。對于短于六面體的鏈，可能的幾何圖形的數量是單一的，但隨后隨鏈長度呈指數增長。例如，一個八聚體可以折疊成九個不同的幾何形狀。通過選擇具有不同結合能的DNA鏈，因此具有不同的熔融溫度，建立了隨著溫度降低而開啟的鍵的層次結構。由于熔化轉變是尖銳的，因此在其下方幾度工作可確保不可逆鍵的形成和向下折疊。例如，圖1D中的十倍體鏈以一種逐步的方式折疊成冠狀。在折疊過程中，形成的每個新鍵都會導致鏈采用不同的構型。那些具有相同接觸矩陣而忽略手性的配置在這里被定義為屬于給定狀態。線性鏈和最終幾何形狀之間的所有可能狀態都映射出可以以樹形表示的能量分布圖。在圖2中的折疊樹中，每行顯示具有相同數量的二級鍵的狀態，即相同的勢能。如果一個狀態可以通過形成或斷開一個單鍵在拓撲上轉變成另一個狀態，那么這兩個狀態在樹中是連通的。設計折疊協議，或次級液滴相互作用的順序，使研究人員能夠將整體集中到一個最終的折疊狀態。該理論系統地確定了成功的方案，這些方案對于長達13個液滴的鏈產生總共11個折疊體幾何結構。按照這些方案，實驗獲得了大部分預測的折疊體。這些折疊體證明了最簡單的交替序列編碼了六聚體的所有可能的幾何形狀：梯形、人字形和三角形。在較長的折疊體中，只有七聚體花和十聚體床對應于一個折疊的同質膠體的基態，而其余的都是不太可能處于平衡狀態的幾何結構。例如，八聚體沙漏幾何結構具有最高的自由能，也就是說，在九種可能的幾何結構中，由于其高對稱數，其產率最小。因此，該折疊體對應于僅基于幾何考慮就可獲得的動力學狀態。更一般地說，交替的膠體遵循兩種機制達到折疊體狀態：核心塌陷和幾何阻礙。最常見的機制是核心塌陷，它首先形成一個剛性核心，然后將剩余的液滴鎖定在外部。最多十聚體，核心由最多五個具有獨特幾何形狀的相同液滴組成。在這個長度之外，折疊體由同時開啟兩個相互作用形成的多核組成，就像在星形折疊體中看到的那樣。幾何阻礙的第二種機制最初涉及一種相互作用，該相互作用通過某些鎖定鍵將液滴捕獲到它們被不能與之形成次級鍵的鄰居包圍的位置。啟用其他交互會添加剩余的鍵，而不會更改幾何體。最后，研究人員從數值模擬上顯示出折疊體可以進一步相互作用形成復雜的超膠體結構，如二聚體、條帶和鑲嵌體。此外，該研究結果與動力學無關，因此適用于所有長度尺度上具有分級相互作用的聚合材料，從有機分子一直到魔方蛇。因此，這個工具箱能夠將大規模設計編碼成短聚合物序列，將折疊置于材料自組裝的最前沿。McMullen, A., Mu?oz Basagoiti, M., Zeravcic, Z. et al. Self-assembly of emulsion droplets through programmable folding. Nature (2022).https://doi.org/10.1038/s41586-022-05198-8
