Самосборка
Для других целей см. раздел Самостоятельное конструирование (устранение двусмысленности) .
Самосборка - это процесс, в котором неупорядоченная система ранее существовавших компонентов формирует организованную структуру или паттерн как следствие специфических, локальных взаимодействий между самими компонентами, без внешнего направления. Когда составляющими компонентами являются молекулы, этот процесс называется молекулярной самосборкой . AFM imaging of self-assembly of 2-aminoterephthalic acid molecules on (104)-oriented calcite.
Самосборку можно классифицировать как статическую или динамическую. В статической самосборке упорядоченное состояние формируется как система, приближающаяся к равновесию, снижая свою свободную энергию . Однако в динамической самосборке паттерны ранее существовавших компонентов, организованных конкретными локальными взаимодействиями, обычно не описываются учеными в смежных дисциплинах как "самосборка". Эти структуры лучше описать как "самоорганизующиеся", хотя эти термины часто используются взаимозаменяемо.
Самосборка в химии и материаловедении[править]
Структура ДНК слева (схематично показано) будет самособираться в структуру, визуализируемую с помощью атомно-силовой микроскопии справа.
Самосборку в классическом смысле можно определить как спонтанную и обратимую организацию молекулярных единиц в упорядоченные структуры путем нековалентных взаимодействий . Первое свойство самосборяющейся системы, которое предполагает это определение, - это спонтанность процесса самосборки: взаимодействия, ответственные за формирование самосборяющейся системы, действуют на строго локальном уровне-другими словами, наноструктура строит сама себя .
Хотя самосборка обычно происходит между слабо взаимодействующими видами, эта организация может быть перенесена в сильно связанные ковалентные системы. Примером этого может служить самосборка полиоксометалатов . Данные свидетельствуют о том, что такие молекулы собираются с помощью механизма плотнофазного типа, когда небольшие оксометалат-ионы сначала собираются нековалентно в растворе, а затем происходит реакция конденсации, которая ковалентно связывает собранные блоки. этому процессу может помочь введение шаблонных агентов для контроля образовавшихся видов.[5] Таким образом, высокоорганизованные ковалентные молекулы могут образовываться определенным образом.
Самосборная наноструктура - это объект, возникающий в результате упорядочения и агрегации отдельных наноразмерных объектов, управляемых каким-либо физическим принципом.
Особенно противоречивым примером физического принципа, который может привести к самосборке, является максимизация энтропии. Хотя энтропия обычно ассоциируется с беспорядком при подходящих условиях , энтропия может приводить наноразмерные объекты к самосборке в целевые структуры управляемым образом.
Другим важным классом самосборки является полевая сборка. Примером этого является явление электростатического захвата. При этом между двумя металлическими наноэлектродами прикладывается электрическое поле. Частицы, присутствующие в окружающей среде, поляризуются приложенным электрическим полем. Из-за дипольного взаимодействия с градиентом электрического поля частицы притягиваются в зазор между электродами. Обобщения этого типа подхода включают различные типы полей, например, использование магнитных полей, использование капиллярных взаимодействий для частиц, захваченных на интерфейсах, упругие взаимодействия для частиц, взвешенных в жидких кристаллах.
Независимо от механизма, управляющего самосборкой, люди используют самосборные подходы к синтезу материалов, чтобы избежать проблемы необходимости строить материалы по одному строительному блоку за раз. Важно избегать одномоментных подходов, поскольку время, необходимое для размещения строительных блоков в целевой структуре, является непомерно трудным для структур, которые имеют макроскопический размер.
После того, как материалы макроскопического размера могут быть собраны самостоятельно, эти материалы могут найти применение во многих приложениях. Например, наноструктуры, такие как нано-вакуумные промежутки, используются для хранения энергии и преобразования ядерной энергии. самосборные перестраиваемые материалы являются перспективными кандидатами для электродов большой площади в батареях и органических фотоэлектрических элементах, а также для микрофлюидных датчиков и фильтров.
Отличительные особенности[править]
На этом этапе можно утверждать, что любая химическая реакция , заставляющая атомы и молекулы собираться в более крупные структуры, такие как осадки, может подпадать под категорию самосборки. Однако есть, по крайней мере, три отличительные особенности, которые делают самосборку отдельной концепцией.
Заказать порядок[править]
Во-первых, самосборная структура должна иметь более высокий порядок, чем изолированные компоненты, будь то форма или определенная задача, которую может выполнять самосборная сущность. Это, как правило , неверно в химических реакциях, где упорядоченное состояние может перейти в неупорядоченное состояние в зависимости от термодинамических параметров.
Взаимодействия[править]
Вторым важным аспектом самосборки является преобладающая роль слабых взаимодействий (например , Ван-дер-Ваальсовых, капиллярных π − π , водородных связей или энтропийных сил ) по сравнению с более "традиционными" ковалентными , ионными или металлическими связями . Эти слабые взаимодействия важны в синтезе материалов по двум причинам.
Во-первых, слабые взаимодействия занимают видное место в материалах, особенно в биологических системах. Например, они определяют физические свойства жидкостей, растворимость твердых веществ и организацию молекул в биологических мембранах.
Во-вторых, помимо силы взаимодействий, взаимодействия с различной степенью специфичности могут управлять самосборкой. Самосборка, которая опосредована взаимодействиями спаривания ДНК, представляет собой взаимодействия самой высокой специфичности, которые были использованы для управления самосборкой. на другой крайности, возможно, наименее специфическими взаимодействиями являются те, которые обеспечивают: эмерджентные силы, возникающие в результате максимизации энтропии .
Строительные блоки[править]
Третья отличительная особенность самосборки заключается в том, что строительные блоки представляют собой не только атомы и молекулы, но и охватывают широкий спектр нано - и мезоскопических структур с различным химическим составом, функциональными возможностями и формами. исследование возможных трехмерных форм самосборных микритов исследует Платоновые твердые тела (регулярные полиэдры). Термин "микрит" был создан DARPA для обозначения микророботов субмиллиметрового размера , чьи самоорганизующиеся способности можно сравнить с таковыми у слизевиков . последние примеры новых строительных блоков включают многогранники и пятнистые частицы . Примеры также включали микрочастицы со сложной геометрией, такие как полусферические, димерные, диски, стержни, молекулы, а также мультимеры. Эти наноразмерные строительные блоки, в свою очередь, могут быть синтезированы с помощью обычных химических путей или с помощью других стратегий самосборки, таких как направленные энтропийные силы . В последнее время появились обратные подходы к проектированию, когда можно зафиксировать целевое поведение самосборки и определить соответствующий строительный блок, который будет реализовывать это поведение.[24]
Термодинамика и Кинетика[править]
Самосборка в микроскопических системах обычно начинается с диффузии, за которой следует зарождение семян, последующий рост семян и заканчивается при созревании Оствальда . Термодинамическая движущая свободная энергия может быть либо энтальпийной, либо энтропийной, либо обеими одновременно. в любом энтальпийном или энтропийном случае самосборка протекает через образование и разрыв связей, возможно, с нетрадиционными формами опосредования. Кинетика процесса самосборки обычно связана с диффузией, для которой скорость поглощения/адсорбции часто следует за моделью адсорбции Ленгмюра которые в диффузионно-регулируемой концентрации (относительно разбавленном растворе) могут быть оценены по законам диффузии Фика . Скорость десорбции определяется прочностью связи поверхностных молекул / атомов с барьером энергии термической активации. Темпы роста - это конкуренция между этими двумя процессами.
Примеры[править]
Важными примерами самосборки в материаловедении являются образование молекулярных кристаллов, коллоидов, липидных бислоев , фазово-разделенных полимеров и самосборяющихся монослоев . Складывание полипептидных цепей в белки и складывание нуклеиновых кислот в их функциональные формы являются примерами самосборки биологических структур. В последнее время трехмерная макропористая структура была получена путем самосборки производного дифенилаланина в условиях криоконденсации, полученный материал может найти применение в области регенеративной медицины или системы доставки лекарственных средств. P. Chen et al. продемонстрирован микромасштабный метод самосборки с использованием интерфейса воздух-жидкость, установленного волной Фарадея в качестве шаблона. Этот метод самосборки может быть использован для получения различных наборов симметричных и периодических узоров из микромасштабных материалов , таких как гидрогели, ячейки и сфероиды ячеек.
Свойства[править]
Самосборка расширяет область применения химии, нацеленной на синтез продуктов с упорядоченными и функциональными свойствами, расширяя химические связи до слабых взаимодействий и охватывая самосборку наноразмерных строительных блоков на всех масштабах длины. В ковалентном синтезе и полимеризации ученый связывает атомы вместе в любой желаемой конформации, которая не обязательно должна быть энергетически наиболее благоприятной позицией; самосборяющиеся молекулы, с другой стороны, принимают структуру на термодинамическом минимуме, находя лучшую комбинацию взаимодействий между субъединицами, но не формируя ковалентные связи между ними. В самосборных структурах ученый должен предсказать этот минимум, а не просто разместить атомы в нужном месте.
Еще одной характеристикой, общей почти для всех самосборных систем, является их термодинамическая стабильность . Для того чтобы самосборка происходила без вмешательства внешних сил, процесс должен приводить к снижению свободной энергии Гиббса , поэтому самосборные структуры термодинамически более устойчивы, чем отдельные, несбранные компоненты. Прямым следствием этого является общая тенденция самосборных конструкций быть относительно свободными от дефектов. Примером может служить формирование двумерных сверхрешеток, состоящих из упорядоченного расположения микрометрового полиметилметакрилата Сферы (PMMA), начиная от раствора, содержащего микросферы, в которых растворителю позволено медленно испаряться в подходящих условиях. В этом случае движущей силой является капиллярное взаимодействие, которое возникает из-за деформации поверхности жидкости, вызванной наличием плавающих или погруженных в воду частиц.
Эти два свойства-слабые взаимодействия и термодинамическая стабильность-можно вспомнить, чтобы рационализировать другое свойство, часто встречающееся в самосборных системах: чувствительность к возмущениям воздействует на него внешняя среда. Это небольшие флуктуации, которые изменяют термодинамические переменные, которые могут привести к заметным изменениям в структуре и даже поставить ее под угрозу, либо во время, либо после самосборки. Слабая природа взаимодействий отвечает за гибкость архитектуры и позволяет перестраивать структуру в направлении, определяемом термодинамикой. Если флуктуации приведут термодинамические переменные обратно к исходному состоянию, то структура, скорее всего, вернется к своей первоначальной конфигурации. Это приводит нас к выявлению еще одного свойства самосборки, которое обычно не наблюдается в материалах, синтезированных другими методами: обратимость .
Самосборка-это процесс, на который легко влияют внешние параметры. Эта функция может сделать синтез достаточно сложным из-за необходимости управления многими свободными параметрами. Тем не менее, самосборка имеет то преимущество, что можно получить большое разнообразие форм и функций на многих масштабах длины.
Фундаментальным условием, необходимым для самосборки наноразмерных строительных блоков в упорядоченную структуру, является одновременное присутствие дальнодействующих отталкивающих и краткосрочных сил притяжения.
Выбирая прекурсоры с подходящими физико-химическими свойствами, можно осуществлять тонкий контроль за процессами образования сложных структур. Очевидно, что наиболее важным инструментом, когда речь заходит о разработке стратегии синтеза того или иного материала, является знание химии строительных блоков. Например, было показано, что для селективного внедрения наночастиц маггемита и получения периодических материалов с потенциальным использованием в качестве волноводов можно использовать диблок-сополимеры с различной блоковой реактивностью.
В 2008 году было предложено, чтобы каждый процесс самосборки представлял собой совместную сборку, что делает первый термин неправильным. Данный тезис построен на концепции взаимного упорядочения самосборяющейся системы и ее окружения.
Самосборка в макроскопическом масштабе[править]
Наиболее распространенные примеры самосборки в макроскопическом масштабе можно наблюдать на границах раздела газов и жидкостей, где молекулы могут быть ограничены на наноуровне в вертикальном направлении и распространяться на большие расстояния в поперечном направлении. Примеры самосборки на границе газ-жидкость включают дыхательные фигуры, самосборные монослои и пленки Ленгмюра–Блоджетта, в то время как кристаллизация фуллереновых усов является примером макроскопической самосборки между двумя жидкостями.Другим замечательным примером макроскопической самосборки является образование тонких квазикристаллов на воздушно-жидкостном интерфейсе, который может быть создан не только неорганическими, но и органическими молекулярными единицами.
Процессы самосборки также могут наблюдаться в системах макроскопических строительных блоков. Эти строительные блоки могут быть внешне самоходными или самоходными. начиная с 1950-х годов, ученые создали самосборные системы, демонстрирующие компоненты сантиметрового размера, начиная от пассивных механических частей до мобильных роботов. для систем такого масштаба можно точно контролировать конструкцию компонентов. Для некоторых систем предпочтения взаимодействия компонентов программируются. Процессы самосборки могут легко контролироваться и анализироваться самими компонентами или внешними наблюдателями.
В апреле 2014 года 3D-печатный пластик был объединен с" умным материалом", который самосборяется в воде, что привело к "4D печати".
Последовательные концепции самоорганизации и самосборки[править]
Люди регулярно используют термины " самоорганизация "и" самосборка " взаимозаменяемо. Однако по мере того, как наука о сложных системах становится все более популярной, возникает более высокая потребность четко различать различия между этими двумя механизмами, чтобы понять их значение в физических и биологических системах. Оба процесса объясняют, как коллективный порядок развивается из "динамических мелкомасштабных взаимодействий". Самоорганизация-это неравновесный процесс, где самосборка-это спонтанный процесс, ведущий к равновесию. Самосборка требует, чтобы компоненты оставались практически неизменными на протяжении всего процесса. Кроме термодинамической разницы между этими двумя,существует также разница в образовании. Первое отличие заключается в том, что в самосборке" кодируется глобальный порядок целого", тогда как в самоорганизации это начальное кодирование не требуется. Еще один небольшой контраст относится к минимальному количеству единиц, необходимых для выполнения заказа. Самоорганизация, по-видимому, имеет минимальное количество единиц, в то время как самосборка-нет. Эти понятия могут иметь особое применение в связи с естественным отбором . В конечном счете, эти паттерны могут сформировать одну теорию образования паттернов в природе.
Смотрите также[править]
- Кристаллическая инженерия
- Автопоэзис
- Фильм Ленгмюра-Блоджетта
- Нанотехнология
- Сборно-разборная машина
- Самосборка наночастиц
- 3D microfabrication § само-складывая материалы