We numerically investigate cooperative polymerization in an off-lattice model based on a pairwise additive potential using particles with a single attractive patch that covers 30% of the colloid surface. Upon cooling, these particles self-assemble into small clusters which, below a density-dependent temperature, spontaneously reorganize into long straight tubes. We evaluate the partition functions of clusters of all sizes to provide an accurate description of the chemical reaction constants governing this process. Our calculations show that, for intermediate sizes, the partition functions retain contributions from two different structures, differing in both energy and entropy. We illustrate the microscopic mechanism behind the complex polymerization process in this system and provide a detailed evaluation of its thermodynamics.

1.
G.
Odian
,
Principles of Polymerization
(
John Wiley & Sons
,
2004
).
2.
K.
Matyjaszewski
and
J.
Xia
,
Chem. Rev.
101
,
2921
2990
(
2001
).
3.
V. C.
Gibson
and
S. K.
Spitzmesser
,
Chem. Rev.
103
,
283
316
(
2003
).
4.
N. M. G.
Franssen
,
J. N. H.
Reek
, and
B.
de Bruin
,
Chem. Soc. Rev.
42
,
5809
5832
(
2013
).
5.
R.
Saito
,
G.
Dresselhaus
, and
M. S.
Dresselhaus
,
Physical Properties of Carbon Nanotubes
(
Imperial College Press
,
London
,
1998
), Vol.
4
.
6.
M. M.
Shulaker
,
G.
Hills
,
N.
Patil
,
H.
Wei
,
H.-Y.
Chen
,
H.-S.
Philip Wong
, and
S.
Mitra
,
Nature (London)
501
,
526
530
(
2013
).
7.
T.
Scheibel
,
R.
Parthasarathy
,
G.
Sawicki
,
X.-M.
Lin
,
H.
Jaeger
, and
S. L.
Lindquist
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
100
,
4527
4532
(
2003
).
8.
W.-F.
Xue
,
S. W.
Homans
, and
S. E.
Radford
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
105
,
8926
8931
(
2008
).
9.
Q.
Meng
,
Y.
Kou
,
X.
Ma
,
Y.
Liang
,
L.
Guo
,
C.
Ni
, and
K.
Liu
,
Langmuir
28
,
5017
(
2012
).
10.
A. G.
Daful
,
J. B.
Avalos
, and
A. D.
Mackie
,
Langmuir
28
,
3730
(
2012
).
11.
Y. A.
Berlin
,
A. L.
Burin
, and
M. A.
Ratner
,
Superlatt. Microstruct.
28
,
241
252
(
2000
).
12.
C.
De Michele
,
T.
Bellini
, and
F.
Sciortino
,
Macromolecules
45
,
1090
1106
(
2012
).
13.
H. R.
Vutukuri
,
A. F.
Demirörs
,
B.
Peng
,
P. D. J.
van Oostrum
,
A.
Imhof
, and
A.
van Blaaderen
,
Ang. Chem.
124
,
11411
11415
(
2012
).
14.
F.
Smallenburg
,
H. R.
Vutukuri
,
A.
Imhof
,
A.
van Blaaderen
, and
M.
Dijkstra
,
J. Phys.: Condens. Matter
24
,
464113
(
2012
).
15.
S. C.
Greer
,
Ann. Rev. Phys. Chem.
53
,
173
(
2002
).
16.
S. C.
Greer
,
J. Phys. Chem. B
102
,
5413
5422
(
1998
).
17.
T. F.
De Greef
,
M. M.
Smulders
,
M.
Wolffs
,
A. P.
Schenning
,
R. P.
Sijbesma
, and
E.
Meijer
,
Chem. Rev.
109
,
5687
5754
(
2009
).
18.
F.
Sciortino
,
E.
Bianchi
,
J. F.
Douglas
, and
P.
Tartaglia
,
J. Chem. Phys.
126
,
194903
(
2007
).
19.
K.
Liu
,
Z.
Nie
,
N.
Zhao
,
W.
Li
,
M.
Rubinstein
, and
E.
Kumacheva
,
Science
329
,
197
200
(
2010
).
20.
M. E.
Cates
and
S. J.
Candau
,
J. Phys.: Condens. Matter
2
,
6869
(
1990
).
21.
R.
Goldstein
and
L.
Stryer
,
Biophys. J.
50
,
583
599
(
1986
).
22.
M. M.
Smulders
,
M. M.
Nieuwenhuizen
,
T. F.
de Greef
,
P.
van der Schoot
,
A. P.
Schenning
, and
E.
Meijer
,
Chem-Eur. J.
16
,
362
367
(
2010
).
23.
J.
van Jaarsveld
and
P.
van der Schoot
,
Macromolecules
40
,
2177
2185
(
2007
).
24.
J. F.
Douglas
,
J.
Dudowicz
, and
K. F.
Freed
,
J. Chem. Phys.
128
,
224901
(
2008
).
25.
J.
Stambaugh
,
K. V.
Workum
,
J. F.
Douglas
, and
W.
Losert
,
Phys. Rev. E
72
,
031301
(
2005
).
26.
W.
Knoben
,
N. A. M.
Besseling
, and
M. A.
Cohen Stuart
,
Macromolecules
39
,
2643
2653
(
2006
).
27.
G.
Jackson
,
W. G.
Chapman
, and
K.
Gubbins
,
Mol. Phys.
65
,
1
(
1988
).
28.
K. V.
Workum
and
J. F.
Douglas
,
Phys. Rev. E
71
,
031502
(
2005
).
29.
K.
Van Workum
and
J. F.
Douglas
,
Phys. Rev. E
73
,
031502
(
2006
).
30.
J.
Dudowicz
,
K. F.
Freed
, and
J. F.
Douglas
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
045502
(
2004
).
31.
J.
Dudowicz
,
K. F.
Freed
, and
J. F.
Douglas
,
J. Chem. Phys.
111
,
7116
(
1999
).
32.
J.
Dudowicz
,
K. F.
Freed
, and
J. F.
Douglas
,
J. Chem. Phys.
119
,
12645
12666
(
2003
).
33.
I. G.
Economou
and
M. D.
Donohue
,
AIChE J.
37
,
1875
1894
(
1991
).
34.
J.
Dudowicz
,
K. F.
Freed
, and
J. F.
Douglas
,
J. Chem. Phys.
113
,
434
446
(
2000
).
35.
B.
Huisman
,
P.
Bolhuis
, and
A.
Fasolino
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
188301
(
2008
).
36.
L.
Bouteiller
and
P.
van der Schoot
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
1363
1366
(
2012
).
37.
M.
Roman
,
C.
Cannizzo
,
T.
Pinault
,
B.
Isare
,
B.
Andrioletti
,
P.
van der Schoot
, and
L.
Bouteiller
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
16818
16824
(
2010
).
38.
M.
Bellot
and
L.
Bouteiller
,
Langmuir
24
,
14176
14182
(
2008
).
39.
J.
van Gestel
,
P.
van der Schoot
, and
M.
Michels
,
Langmuir
19
,
1375
1383
(
2003
).
40.
R. E.
Harris
,
J. Phys. Chem.
74
,
3102
3111
(
1970
).
41.
J. C.
Wheeler
,
S. J.
Kennedy
, and
P.
Pfeuty
,
Phys. Rev. Lett.
45
,
1748
1752
(
1980
).
42.
G.
Gee
,
Trans. Faraday Soc.
48
,
515
526
(
1952
).
43.
F.
Fairbrother
,
G.
Gee
, and
G. T.
Merrall
,
J. Polym. Sci.
16
,
459
469
(
1955
).
44.
J. A.
Cuesta
and
R. P.
Sear
,
Phys. Rev. E
65
,
031406
(
2002
).
45.
A.
Wegner
and
J.
Engel
,
Biophys. Chem.
3
,
215
225
(
1975
).
46.
F.
Federiconi
,
P.
Ausili
,
G.
Fragneto
,
C.
Ferrero
, and
P.
Mariani
,
J. Phys. Chem. B
109
,
11037
11045
(
2005
).
47.
P.
Mariani
,
F.
Spinozzi
,
F.
Federiconi
,
H.
Amenitsch
,
L.
Spindler
, and
I.
Drevensek-Olenik
,
J. Phys. Chem. B
113
,
7934
7944
(
2009
).
48.
N.
Kern
and
D.
Frenkel
,
J. Chem. Phys.
118
,
9882
9889
(
2003
).
49.
W.
Bol
,
Mol. Phys.
45
,
605
616
(
1982
).
50.
E.
Bianchi
,
J.
Largo
,
P.
Tartaglia
,
E.
Zaccarelli
, and
F.
Sciortino
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
168301
(
2006
).
51.
C.
Vega
,
E.
Sanz
,
J. L. F.
Abascal
, and
E. G.
Noya
,
J. Phys.: Condens. Matter
20
,
153101
(
2008
).
52.
F.
Romano
,
P.
Tartaglia
, and
F.
Sciortino
,
J. Phys.: Condens. Matter
19
,
322101
(
2007
).
53.
Q.
Chen
,
S. C.
Bae
, and
S.
Granick
,
Nature (London)
469
,
381
384
(
2011
).
54.
F.
Romano
and
F.
Sciortino
,
Soft Matter
7
,
5799
5804
(
2011
).
55.
E. G.
Noya
,
C.
Vega
,
J. P. K.
Doye
, and
A. A.
Louis
,
J. Chem. Phys.
132
,
234511
(
2010
).
56.
E. G.
Noya
,
C.
Vega
,
J. P. K.
Doye
, and
A. A.
Louis
,
J. Chem. Phys.
127
,
054501
(
2007
).
57.
E. G.
Noya
,
M. M.
Conde
, and
C.
Vega
,
J. Chem. Phys.
129
,
104704
(
2008
).
58.
J. P. K.
Doye
,
A. A.
Louis
,
I.-C.
Lin
,
L. R.
Allen
,
E. G.
Noya
,
A. W.
Wilber
,
H. C.
Kok
, and
R.
Lyus
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
9
,
2197
2205
(
2007
).
59.
F.
Romano
,
E.
Sanz
,
P.
Tartaglia
, and
F.
Sciortino
,
J. Phys.: Condens. Matter
24
,
064113
(
2012
).
60.
F.
Romano
,
E.
Sanz
, and
F.
Sciortino
,
J. Chem. Phys.
134
,
174502
(
2011
).
61.
T.
Vissers
,
Z.
Preisler
,
F.
Smallenburg
,
M.
Dijkstra
, and
F.
Sciortino
,
J. Chem. Phys.
138
,
164505
(
2013
).
62.
F.
Romano
and
F.
Sciortino
,
Nat. Matter
10
,
171
173
(
2011
).
63.
F.
Romano
and
F.
Sciortino
,
Nat. Commun.
3
,
975
(
2012
).
64.
G.
Munaó
,
Z.
Preisler
,
T.
Vissers
,
F.
Smallenburg
, and
F.
Sciortino
,
Soft Matter
9
,
2652
(
2013
).
65.
Z.
Preisler
,
T.
Vissers
,
F.
Smallenburg
,
G.
Munaò
, and
F.
Sciortino
,
J. Phys. Chem. B
117
,
9540
9547
(
2013
).
66.
R.
Fantoni
,
A.
Giacometti
,
F.
Sciortino
, and
G.
Pastore
,
Soft Matter
7
,
2419
2427
(
2011
).
67.
R.
Pool
and
P. G.
Bolhuis
,
J. Phys. Chem. B
109
,
6650
6657
(
2005
).
68.
D. J.
Kraft
,
R.
Ni
,
F.
Smallenburg
,
M.
Hermes
,
K.
Yoon
,
D. A.
Weitz
,
A.
van Blaaderen
,
J.
Groenewold
,
M.
Dijkstra
, and
W. K.
Kegel
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
109
,
10787
10792
(
2012
).
69.
Z.-W.
Li
,
Z.-Y.
Lu
,
Z.-Y.
Sun
, and
L.-J.
An
,
Soft Matter
8
,
6693
6697
(
2012
).
70.
L.
Leibler
,
Prog. Polym. Sci.
30
,
898
914
(
2005
).
You do not currently have access to this content.