自组装是构建块从无序状态自发组织成结构或模式。日常例子包括液体的冷冻或盐的结晶。这些自组装过程也发生在许多生物系统中，例如蛋白质的折叠或 DNA 螺旋的形成，人们对研究这些自组装过程的兴趣越来越大。研究人员帕特里克·哈格创造了一类新的自组装微粒，可对温度和光做出反应，从而可以精确控制它们组装成结构。

胶体颗粒的大小从几纳米到几微米不等，通常用于研究自组装过程。由于它们体积小，重力对其运动的影响很小。结果，这些粒子倾向于随机移动，同时彼此相互作用。

“尽管它们的尺寸很小，但这些胶体颗粒可以使用传统的显微镜技术进行成像，”前博士 Patrick Hage 指出。研究员，现在是自组织软物质小组的博士后。“在这个长度尺度上排列这些材料可以产生具有新机械和光学特性的材料。具有独特光学特性的胶体‘上层结构’的一个自然例子是蛋白石，它由小二氧化硅球体的晶体组成。控制上层结构可能会导致用于光子晶体、涂层和传感器的新材料。”

控制的重要性

为了创建响应性和可重构的胶体材料，控制粒子之间的相互作用以及使用外部提示调节这些相互作用的能力非常重要。

帮助调节相互作用的一种方法是通过表面功能化，其中小的单 DNA 链连接到颗粒表面。就像你在人体细胞核中发现的那样，这些 DNA 链相互连接形成 DNA 螺旋。

“正是这些 DNA 螺旋的形成将这些粒子固定在一起，”Hage 说。“可以使用温度作为触发器来调节表面带有 DNA 的粒子。这可以控制粒子之间的相互作用并导致复杂的结构，例如胶体晶体。”

多个触发器

哈格博士的目标 研究是开发一个系统来响应多种触发因素——在这种情况下是光和温度。“使用多个触发器可以控制结构在空间和时间上的增长。”

Hage 通过向负责胶体组装的 DNA 链添加光响应分子来实现这一点。这导致粒子相互作用同时响应光和温度。将这些粒子与荧光显微镜、加热室和数字微镜装置相结合，可以实现粒子可视化，同时提供精确的温度控制以及将具有特定图案的光应用到样品上的能力。

“我创建了一个装置，允许在特定温度下对超结构(例如晶体)的形成进行成像，同时获得通过应用局部光模式修改或去除不需要的结构的能力，”Hage 说。“在未来的工艺中，这种双重控制可用于制造用于各种应用的自组装结构，例如用于光子器件的高级传感器或光子晶体。”

Hage 现在将继续攻读博士学位。作为同一组中为期 4 个月的博士后职位的一部分。“我期待着进一步优化系统，然后将知识传授给团队的其他成员。”