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Self-templating assembly of soft microparticles into complex tessellations

单层 材料科学 自组装 超晶格 化学物理 纳米技术 六方晶系 蜂巢 结晶学 原子堆积因子 挫折感 凝聚态物理 化学 物理 光电子学 复合材料
作者
Fabio Grillo,Miguel Ángel Fernández-Rodríguez,Maria-Nefeli Antonopoulou,Dominic Gerber,Lucio Isa
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:582 (7811): 219-224 被引量:62
标识
DOI:10.1038/s41586-020-2341-6
摘要

Encoding Archimedean and non-regular tessellations in self-assembled colloidal crystals promises unprecedented structure-dependent properties for applications ranging from low-friction coatings to optoelectronic metamaterials1-7. Yet, despite numerous computational studies predicting exotic structures even from simple interparticle interactions8-12, the realization of complex non-hexagonal crystals remains experimentally challenging13-18. Here we show that two hexagonally packed monolayers of identical spherical soft microparticles adsorbed at a liquid-liquid interface can assemble into a vast array of two-dimensional micropatterns, provided that they are immobilized onto a solid substrate one after the other. The first monolayer retains its lowest-energy hexagonal structure and acts as a template onto which the particles of the second monolayer are forced to rearrange. The frustration between the two lattices elicits symmetries that would not otherwise emerge if all the particles were assembled in a single step. Simply by varying the packing fraction of the two monolayers, we obtain not only low-coordinated structures such as rectangular and honeycomb lattices, but also rhomboidal, hexagonal and herringbone superlattices encoding non-regular tessellations. This is achieved without directional bonding, and the structures formed are equilibrium structures: molecular dynamics simulations show that these structures are thermodynamically stable and develop from short-range repulsive interactions, making them easy to predict, and thus suggesting avenues towards the rational design of complex micropatterns.

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