Samodzielny montaż - Self-assembly

W przypadku innych zastosowań zobacz Samokonstrukcja (ujednoznacznienie) .
Samoorganizacja lipidów (a), białek (b) i (c) SDS - kompleksy cyklodekstrynowe . SDS jest środkiem powierzchniowo czynnym z ogona węglowodorowego (żółty) i SO 4 głowicy (niebieski, czerwony), a cyklodekstrynowy stanowi sacharyd pierścień (zielony i czerwony C atomy O).
Obraz z transmisyjnej mikroskopii elektronowej nanocząstki tlenku żelaza . Regularnie ułożone kropki w obrębie przerywanej granicy to kolumny atomów Fe. Lewa wstawka to odpowiedni wzór dyfrakcji elektronów . Skala: 10 nm.
Nanocząstki tlenku żelaza można dyspergować w rozpuszczalniku organicznym ( toluenie ). Po jego odparowaniu mogą się układać ( panele lewy i prawy) w mezokryształy wielkości mikronów (środek) lub wielowarstwowe (po prawej). Każda kropka na lewym obrazku to tradycyjny "atomowy" kryształ pokazany na powyższym obrazku. Słupki skali: 100 nm (po lewej), 25 μm (w środku), 50 nm (po prawej).
Obraz STM samoorganizujących się cząsteczek Br 4 - pirenu na powierzchni Au(111) (u góry) i jego modelu (na dole; różowe kule to atomy Br).

Samoorganizacja to proces, w którym nieuporządkowany system wcześniej istniejących komponentów tworzy zorganizowaną strukturę lub wzór w wyniku określonych, lokalnych interakcji między samymi komponentami, bez zewnętrznego ukierunkowania. Gdy składnikami konstytutywnymi są cząsteczki, proces ten określa się mianem samoorganizacji molekularnej .

Obrazowanie AFM samoorganizacji cząsteczek kwasu 2-aminotereftalowego na kalcycie zorientowanym (104) .

Samomontaż można sklasyfikować jako statyczny lub dynamiczny. W statycznym samoorganizacji stan uporządkowany tworzy się w miarę zbliżania się układu do stanu równowagi , zmniejszając swoją energię swobodną . Jednak w dynamicznym samoorganizacji wzorce wcześniej istniejących komponentów zorganizowane przez określone interakcje lokalne nie są powszechnie opisywane jako „samoorganizujące się” przez naukowców z powiązanych dyscyplin. Struktury te lepiej opisać jako „ samoorganizujące się ”, chociaż terminy te są często używane zamiennie.

Samomontaż w chemii i materiałoznawstwie

Struktura DNA po lewej ( pokazano schemat ) samoorganizuje się w strukturę wizualizowaną przez mikroskopię sił atomowych po prawej.

Samoorganizację w klasycznym sensie można zdefiniować jako spontaniczną i odwracalną organizację jednostek molekularnych w uporządkowane struktury za pomocą oddziaływań niekowalencyjnych . Pierwszą właściwością systemu samoorganizującej że definicja ta sugeruje to spontaniczność procesu samodzielnego montażu: interakcje odpowiedzialne za tworzenie się samoorganizującej ustawy systemowej na ściśle lokalnym, innymi słowy, nanostruktury buduje się .

Chociaż samoorganizacja zwykle występuje między słabo oddziałującymi gatunkami, ta organizacja może zostać przeniesiona na silnie związane układy kowalencyjne . Przykładem tego może być samoorganizacja polioksometalanów . Dowody sugerują, że takie cząsteczki łączą się w mechanizmie typu gęstej fazy , w którym małe jony oksometalanowe najpierw łączą się niekowalencyjnie w roztworze, po czym następuje reakcja kondensacji, która kowalencyjnie wiąże złożone jednostki. Procesowi temu można wspomóc wprowadzenie środków do tworzenia szablonów w celu kontrolowania formowanych gatunków. W ten sposób wysoce zorganizowane cząsteczki kowalencyjne mogą powstawać w specyficzny sposób.

Samoorganizująca się nanostruktura to obiekt, który pojawia się w wyniku uporządkowania i agregacji poszczególnych obiektów w nanoskali, kierując się jakąś zasadą fizyczną .

Szczególnie sprzecznym z intuicją przykładem zasady fizycznej, która może napędzać samoorganizację, jest maksymalizacja entropii . Chociaż entropia jest konwencjonalnie kojarzona z nieporządkiem , w odpowiednich warunkach entropia może prowadzić obiekty w nanoskali do samoorganizacji w struktury docelowe w kontrolowany sposób.

Inną ważną klasą samodzielnego montażu jest montaż ukierunkowany w terenie. Przykładem tego jest zjawisko pułapkowania elektrostatycznego. W tym przypadku między dwie metalowe nanoelektrody przykładane jest pole elektryczne . Cząstki obecne w środowisku są spolaryzowane przez przyłożone pole elektryczne. Ze względu na oddziaływanie dipola z gradientem pola elektrycznego cząstki są przyciągane do szczeliny między elektrodami. Donoszono również o uogólnieniach tego typu podejścia, obejmujących różne typy pól, np. wykorzystanie pól magnetycznych, wykorzystanie oddziaływań kapilarnych dla cząstek uwięzionych na granicy faz, oddziaływań sprężystych dla cząstek zawieszonych w ciekłych kryształach.

Niezależnie od mechanizmu napędzającego samoorganizację, ludzie stosują podejścia do samoorganizacji do syntezy materiałów, aby uniknąć problemu konstruowania materiałów po jednym elemencie konstrukcyjnym na raz. Unikanie podejść pojedynczo jest ważne, ponieważ ilość czasu wymagana do umieszczenia bloków konstrukcyjnych w docelowej strukturze jest nadmiernie trudna w przypadku struktur o makroskopowych rozmiarach.

Gdy materiały o rozmiarach makroskopowych mogą być samoorganizujące się, materiały te mogą znaleźć zastosowanie w wielu zastosowaniach. Na przykład nanostruktury, takie jak szczeliny nanopróżniowe, są wykorzystywane do przechowywania energii i konwersji energii jądrowej. Samoorganizujące się przestrajalne materiały są obiecującymi kandydatami na elektrody o dużej powierzchni w bateriach i organicznych ogniwach fotowoltaicznych, a także na czujniki i filtry mikroprzepływowe.

Cechy charakterystyczne

W tym momencie można argumentować, że jakakolwiek reakcja chemiczna prowadząca atomy i cząsteczki do łączenia się w większe struktury, taka jak strącanie , może należeć do kategorii samoorganizacji. Istnieją jednak co najmniej trzy charakterystyczne cechy, które sprawiają, że samodzielny montaż jest odrębną koncepcją.

Zamówienie

Po pierwsze, struktura samoorganizująca się musi mieć wyższy porządek niż izolowane elementy, niezależnie od tego, czy jest to kształt, czy szczególne zadanie, które może wykonać samoorganizująca się jednostka. Na ogół nie jest to prawdą w reakcjach chemicznych , w których stan uporządkowany może przechodzić w stan nieuporządkowany w zależności od parametrów termodynamicznych.

Interakcje

Drugim ważnym aspektem samogrupowania dominującą rolę słabych interakcji (na przykład Van der Waalsa , kapilary , , wiązań wodorowych lub siły entropii ), w porównaniu do bardziej „tradycyjnych” kowalencyjne, jonowe albo wiązań metalicznych . Te słabe oddziaływania są ważne w syntezie materiałów z dwóch powodów.

Po pierwsze, oddziaływania słabe zajmują ważne miejsce w materiałach, zwłaszcza w układach biologicznych. Na przykład określają właściwości fizyczne cieczy, rozpuszczalność ciał stałych i organizację cząsteczek w błonach biologicznych.

Po drugie, oprócz siły interakcji, interakcje o różnym stopniu szczegółowości mogą kontrolować samoorganizację. Samoorganizacja, w której pośredniczą interakcje parowania DNA, stanowi interakcje o najwyższej specyficzności, które zostały wykorzystane do kierowania samoorganizacją. Z drugiej strony, najmniej specyficzne interakcje są prawdopodobnie oddziaływaniami sił emergentnych, które powstają w wyniku maksymalizacji entropii .

Cegiełki

Trzecią charakterystyczną cechą samoorganizacji jest to, że bloki budulcowe to nie tylko atomy i molekuły, ale obejmują szeroki zakres struktur nano- i mezoskopowych o różnych składach chemicznych, funkcjach i kształtach.Badania możliwych trójwymiarowych kształtów samoorganizujących się mikrytów badają bryły platońskie (zwykłe wielościany). Termin „mikryt” został stworzony przez DARPA w odniesieniu do mikrorobotów o rozmiarach submilimetrowych , których zdolności samoorganizacyjne można porównać do zdolności śluzowatych . Niedawne przykłady nowych elementów budulcowych obejmują wielościany i niejednolite cząstki . Przykłady obejmowały również mikrocząstki o złożonej geometrii, takie jak półkuliste, dimeryczne, dyski, pręciki, cząsteczki, a także multimery. Te elementy budulcowe w nanoskali można z kolei syntetyzować konwencjonalnymi drogami chemicznymi lub innymi strategiami samoorganizacji, takimi jak kierunkowe siły entropowe . Niedawno pojawiły się odwrotne podejścia projektowe, w których można naprawić docelowe zachowanie samoorganizujące się i określić odpowiedni element konstrukcyjny, który zrealizuje to zachowanie.

Termodynamika i kinetyka

Samoorganizacja w układach mikroskopowych zwykle rozpoczyna się od dyfuzji, po której następuje zarodkowanie nasion, następnie wzrost nasion, a kończy się na dojrzewaniu Ostwalda . Swobodna energia napędzająca termodynamicznie może być entalpiczna lub entropiczna lub obie. Zarówno w przypadku entalpicznym, jak i entropicznym, samoorganizacja przebiega poprzez tworzenie i zerwanie więzi, prawdopodobnie z nietradycyjnymi formami mediacji. Kinetyka procesu samoorganizacji jest zwykle związana z dyfuzją , dla której szybkość absorpcji/adsorpcji często jest zgodna z modelem adsorpcji Langmuira, który w stężeniu kontrolowanym przez dyfuzję (roztwór stosunkowo rozcieńczony) można oszacować za pomocą praw dyfuzji Ficka . Szybkość desorpcji jest określona przez siłę wiązania cząsteczek/atomów powierzchniowych z barierą energii aktywacji termicznej. Tempo wzrostu to konkurencja między tymi dwoma procesami.

Przykłady

Ważne przykłady samoorganizacji w materiałoznawstwie obejmują tworzenie kryształów molekularnych , koloidów , dwuwarstw lipidowych , polimerów o rozdzielonych fazach i samoorganizujących się monowarstw . Fałdowanie łańcuchów polipeptydowych w białka i fałdowanie kwasów nukleinowych w ich funkcjonalne formy są przykładami samoorganizujących się struktur biologicznych. Ostatnio trójwymiarowa struktura makroporowata została wytworzona poprzez samoorganizację pochodnej difenyloalaniny w kriowarunkach, otrzymany materiał może znaleźć zastosowanie w dziedzinie medycyny regeneracyjnej lub systemu dostarczania leków. P. Chen i in. zademonstrowali metodę samoorganizacji w mikroskali z wykorzystaniem granicy faz powietrze-ciecz ustanowioną przez falę Faradaya jako szablon. Ta metoda samoorganizacji może być stosowana do generowania różnorodnych zestawów symetrycznych i okresowych wzorów z materiałów w mikroskali, takich jak hydrożele , komórki i sferoidy komórkowe. Yasuga i in. wykazali, w jaki sposób energia międzyfazowa płynu napędza powstawanie trójwymiarowych struktur okresowych w rusztowaniach mikrofilarowych. Myllymäki i in. zademonstrowali powstawanie miceli, które ulegają zmianie w morfologii we włókna i ostatecznie w kulki, wszystkie kontrolowane przez zmianę rozpuszczalnika.

Nieruchomości

Samoorganizacja rozszerza zakres chemii zmierzającej do syntezy produktów o właściwościach uporządkowanych i funkcjonalnych, rozszerzając wiązania chemiczne do oddziaływań słabych oraz obejmując samoorganizację nanoskalowych bloków budulcowych we wszystkich skalach długości. W syntezie i polimeryzacji kowalencyjnej naukowiec łączy ze sobą atomy w dowolnej pożądanej konformacji, która niekoniecznie musi być najbardziej uprzywilejowaną energetycznie pozycją; Z drugiej strony samoorganizujące się cząsteczki przyjmują strukturę na minimum termodynamicznym, znajdując najlepszą kombinację oddziaływań między podjednostkami, ale nie tworząc między nimi wiązań kowalencyjnych. W samoorganizujących się strukturach naukowiec musi przewidzieć to minimum, a nie tylko umieścić atomy w żądanym miejscu.

Inną cechą wspólną dla prawie wszystkich samoorganizujących się systemów jest ich stabilność termodynamiczna . Aby samomontaż odbywał się bez ingerencji sił zewnętrznych, proces ten musi prowadzić do niższej energii swobodnej Gibbsa , dzięki czemu samoorganizujące się struktury są termodynamicznie bardziej stabilne niż pojedyncze, niezmontowane elementy. Bezpośrednią konsekwencją jest ogólna tendencja samodzielnych konstrukcji do względnie wolnych od wad. Przykładem jest tworzenie dwuwymiarowych supersieci składających się z uporządkowanego układu kulek polimetakrylanu metylu (PMMA) o wymiarach mikrometrów , zaczynając od roztworu zawierającego mikrokulki, w którym pozwala się na powolne odparowanie rozpuszczalnika w odpowiednich warunkach. W tym przypadku siłą napędową jest oddziaływanie kapilarne, które powstaje w wyniku deformacji powierzchni cieczy spowodowanej obecnością pływających lub zanurzonych cząstek.

Te dwie właściwości — słabe interakcje i stabilność termodynamiczną — można przywołać, aby zracjonalizować inną właściwość często spotykaną w układach samoorganizujących się: wrażliwość na perturbacje wywierane przez środowisko zewnętrzne. Są to niewielkie fluktuacje, które zmieniają zmienne termodynamiczne, które mogą prowadzić do wyraźnych zmian w strukturze, a nawet ją skompromitować, podczas lub po samodzielnym montażu. Słaby charakter oddziaływań odpowiada za elastyczność architektury i pozwala na przegrupowanie struktury w kierunku wyznaczonym przez termodynamikę. Jeśli fluktuacje sprowadzają zmienne termodynamiczne z powrotem do stanu wyjściowego, struktura prawdopodobnie powróci do swojej początkowej konfiguracji. To prowadzi nas do zidentyfikowania jeszcze jednej właściwości samoorganizacji, której na ogół nie obserwuje się w materiałach syntetyzowanych innymi technikami: odwracalności .

Samodzielny montaż to proces, na który łatwo wpływają parametry zewnętrzne. Ta cecha może sprawić, że synteza będzie dość złożona ze względu na konieczność kontrolowania wielu wolnych parametrów. Jednak samodzielny montaż ma tę zaletę, że można uzyskać dużą różnorodność kształtów i funkcji w wielu skalach długości.

Podstawowym warunkiem koniecznym do samoorganizacji elementów budulcowych w nanoskali w uporządkowaną strukturę jest równoczesna obecność sił odpychających o dużym zasięgu i sił przyciągających o krótkim zasięgu.

Wybierając prekursory o odpowiednich właściwościach fizykochemicznych, można precyzyjnie kontrolować procesy formowania, w wyniku których powstają złożone struktury. Oczywiście najważniejszym narzędziem przy projektowaniu strategii syntezy materiału jest znajomość chemii elementów konstrukcyjnych. Wykazano na przykład, że możliwe jest zastosowanie kopolimerów diblokowych o różnej reaktywności blokowej w celu selektywnego osadzania nanocząstek maghemitu i generowania materiałów okresowych o potencjalnym zastosowaniu jako falowody .

W 2008 roku zaproponowano, aby każdy proces samodzielnego montażu przedstawiał współmontaż, co czyni poprzednie określenie mylącym. Teza ta opiera się na koncepcji wzajemnego uporządkowania systemu samoskładającego się i jego otoczenia.

Samodzielny montaż w skali makroskopowej

Najczęstsze przykłady samoorganizacji w skali makroskopowej można zaobserwować na granicy faz między gazami i cieczami, gdzie cząsteczki mogą być ograniczone w nanoskali w kierunku pionowym i rozłożone na duże odległości poprzecznie. Przykłady Samoorganizacja między fazami gazową i ciekłą to oddech dane , samouporządkowanych pojedynczych warstw i warstw Langmuira-Blodgett , podczas krystalizacji fulerenów wąsów jest przykładem makroskopowe samoformującą pomiędzy dwoma płynami. Innym godnym uwagi przykładem makroskopowego samoorganizacji jest powstawanie cienkich quasikryształów na granicy faz powietrze-ciecz, które mogą być budowane nie tylko przez nieorganiczne, ale także organiczne jednostki molekularne.

Procesy samoskładania można zaobserwować również w układach makroskopowych cegiełek budulcowych. Te elementy konstrukcyjne mogą być napędzane zewnętrznie lub samobieżne. Od lat pięćdziesiątych naukowcy budowali systemy do samodzielnego montażu, zawierające komponenty wielkości centymetra, od pasywnych części mechanicznych po roboty mobilne. W przypadku systemów o tej skali projekt komponentów może być precyzyjnie kontrolowany. W przypadku niektórych systemów preferencje interakcji komponentów są programowalne. Procesy samodzielnego montażu mogą być łatwo monitorowane i analizowane przez same komponenty lub przez obserwatorów zewnętrznych.

W kwietniu 2014 roku wydrukowany w 3D plastik został połączony z „inteligentnym materiałem”, który samoorganizuje się w wodzie, co dało „ druk 4D ”.

Spójne koncepcje samoorganizacji i samodzielnego montażu

Ludzie regularnie używają zamiennie terminów „ samoorganizacja ” i „samoorganizacja”. Ponieważ nauka o złożonych systemach staje się coraz bardziej popularna, istnieje większa potrzeba wyraźnego rozróżnienia różnic między tymi dwoma mechanizmami, aby zrozumieć ich znaczenie w systemach fizycznych i biologicznych. Oba procesy wyjaśniają, jak porządek zbiorowy rozwija się z „dynamicznych interakcji na małą skalę”. Samoorganizacja jest procesem nierównowagowym, w którym samoorganizacja jest spontanicznym procesem prowadzącym do równowagi. Samodzielny montaż wymaga, aby komponenty pozostały zasadniczo niezmienione podczas całego procesu. Oprócz różnicy termodynamicznej między nimi istnieje również różnica w tworzeniu. Pierwszą różnicą jest to, co „koduje globalny porządek całości” w samoorganizacji, podczas gdy w samoorganizacji to początkowe kodowanie nie jest konieczne. Kolejny niewielki kontrast dotyczy minimalnej liczby jednostek potrzebnych do złożenia zamówienia. Wydaje się, że samoorganizacja ma minimalną liczbę jednostek, podczas gdy samoorganizacja nie. Koncepcje te mogą mieć szczególne zastosowanie w związku z doborem naturalnym . W końcu te wzorce mogą tworzyć jedną teorię powstawania wzorców w przyrodzie.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki