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Self-assembly The science of the things that put themselves together
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Contents Preface vii Acknowledgments xi List of Tables xii List of Figures xiii 1 Introduction 1 1.1 Self-Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Profile - Richard P. Feynman . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Why Now? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 Chapter Highlights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4 E xercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.5 Related Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.6 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 I The Natural World 15 2 Inorganic Systems 17 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 Bubble Rafts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.1 A Primer on Surface Tension . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.2 The Meniscus Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Profile - Leonard M. Adleman . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.3 Back to the Bubble Raft . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3 Crystallization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Try It Yourself - The Bubble Raft . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4P olymerization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.5 Micelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 2.6 Chapter Highlights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 2.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 2.8 Related Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 2.9 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 © 2007 by Taylor & Francis Group, LLC 3Organic Systems 49 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 3.2 Proteins and Protein Folding . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2.1 Understanding Protein Folding . . . . . . . . . . . . 52 Try It Yourself - “Protein”F olding . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3 The TobaccoMosaic Virus . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.4 T he Ribosome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.5 Chapter Highlights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Profile - John H. Reif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.7 Related Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.8 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4 Lessons from the Natural World 67 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.2 The Bubble Raft and Nature’s Principles . . . . . . . . . . 68 4.2.1 Structured Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Profile - Chad A. Mirkin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.2 Binding Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.2.3 Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.2.4 Driving Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.3 Other Aspects of Nature’s Motif . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.3.1 Energy Minimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.3.2 Nucleation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.3.3 Templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.4 Chapter Highlights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4 .5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4 .6 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 II Engineered Systems 81 5 The “Cheerios Effect” and Other Simple Systems 83 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.2 The PenroseModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.2.1 Nature’s Principles in Action . . . . . . . . . . . . . 86 5.3 Magnetic Self-Assembling Systems . . . . . . . . . . . . . . 87 5.3.1 Pattern Formation in Magnetic Spheres . . . . . . . 90 5.3.2 Control Via External Fields . . . . . . . . . . . . . . 94 5.3.3 Nano-Magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.3.4Magnetic Origami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.3.5 Measuring Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.4The “Cheerios Effect” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.4.1 The Force Between Two Plates . . . . . . . . . . . . 104 5.4.2 Floating Particles and Other Forces . . . . . . . . . . 106 Try It Yourself - Self Assembling Soda Straws . . . . . . . . . 109 © 2007 by Taylor & Francis Group, LLC Profile - Saul T. Griffith . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.5 Chapter Highlights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.7 Related Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.8 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6 Static Self-Assembly 117 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.2 Assembly via Capillary Forces . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.2.1 Assembly at a Liquid-Liquid Interface . . . . . . . . 121 Profile - George M. Whitesides . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 6.2.2 Capillary Forces and Three Dimensional Structures . 124 6.2.3 Reconfigurable Capillary Driven Systems . . . . . . . 128 6.2.4Computing with Capillary Forces . . . . . . . . . . . 129 6.3 Template Driven Self-Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . 132 6.3.1 Artificial Amphiphiles . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.4 S tructured Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 6.5 Assembly by Folding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6.6 Chapter Highlights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3 6.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4 6.8 Related Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 5 6.9 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 6 7 Dynamic Self-Assembly 147 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 7 7.2 A Prototype for Dynamic Self-Assembly . . . . . . . . . . . 14 9 Try It Yourself - Electrostatic Self-Assembly . . . . . . . . . . 154 7.2.1 Self-Assembling Nanowires . . . . . . . . . . . . . . . 156 7.2.2 Electrostatically Driven Granular Media . . . . . . . 161 7.2.3 Electrorheological Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . 163 7.3 Magnetically Driven Dynamic Systems . . . . . . . . . . . 164 7.4Mec hanically Driven Dynamic Systems . . . . . . . . . . . 167 7.5 Self-Propelled Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 7.6 Smart Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Profile - Eric Klavins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 7.7 Chapter Highlights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 7.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 7.9 Related Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 7.10 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 8 DNA Self-Assembly 181 8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 8.2 DNA - Nature’s Ultimate Building Block . . . . . . . . . . 182 8.2.1 Sticky Ends and Branches . . . . . . . . . . . . . . . 184 8.3 Cubes and other Polyhedra . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 © 2007 by Taylor & Francis Group, LLC 8.4DNA Tiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 8.5 DNA Barcodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 8.6 DNA Origami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 8.7 DNA as a Template . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Profile - Nadrian C. Seeman . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 8.8 DNA Self-Assembly in Context . . . . . . . . . . . . . . . . 202 8.9 Chapter Highlights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 8.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 8.11 Related Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 8.12 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 III The Future 209 9 Models of Self-Assembly 211 9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 9.2 PhysicalModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 9.2.1 Modelling Structured Surfaces . . . . . . . . . . . . . 214 9.2.2 Modelling Helix Formation . . . . . . . . . . . . . . . 218 9.2.3 Chemical Kinetics Models . . . . . . . . . . . . . . . 223 9.2.4The Waterbug Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 9.3 AbstractModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 9.3.1 Conformational Switching . . . . . . . . . . . . . . . 230 9.3.2 Graph Grammars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 9.3.3 The Tile Assembly Model . . . . . . . . . . . . . . . 24 0 Profile - Erik Winfree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2 9.4Chapter Highlights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 7 9.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 8 9.6 Related Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 9.7 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 10 Directions 253 10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 10.2 Fibonacci at the Nanoscale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 10.3 Self-Assembly Springs Into Action . . . . . . . . . . . . . . 256 10.4Self-Assem bled Swimming Cells . . . . . . . . . . . . . . . 257 Profile - Paul Rothemund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 10.5 Self-Assembly Goes Broadway . . . . . . . . . . . . . . . . 260 10.6 Self-Assembly and the Origin of Life . . . . . . . . . . . . . 261 10.7 Chapter Highlights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 10.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 10.9 Related Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 10.10 Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 11 Color Plates 265 © 2007 by Taylor & Francis Group, LLC References 281 A The Calculus of Variations 293 B Useful Web Sites 297 C Glossary 299 © 2007 下载：http://good.gd/1632987.htm [ Last edited by lilh0303 on 2011-9-27 at 09:14 ] |
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