Като образователна програмаЦитирам материала на Н.В. Ребров, студент в Донецкия национален технически университет, който, между другото, в момента се разстрелва от "Националната гвардия" на Украйна с тежко оръжие по посока на еврейския Киев:
САМОСБИРАНЕ В НАНОТЕХНОЛОГИИТЕ
Сред различните обещаващи подходи за образуване на наноструктури, нанотехнологиите, използващи самоорганизация, стават все по-важни. Предполага се, че самоорганизацията ще направи възможно създаването на наноструктури от отделни атоми като технология отдолу нагоре. Молекулното самосглобяване, за разлика от подхода отгоре надолу на нанотехнологиите, като литографията, където желаната наноструктура излиза от по-голям детайл, е важна част от подхода отдолу нагоре, където желаната наноструктура е резултат от особени програмиране на формата и функционалните групи на молекулите.
Какви наноструктури могат да бъдат построени с помощта на тези технологии? Говорим за различни материали, тъй като тези технологии ви позволяват да създавате устройства, образувайки ги от атоми и молекули, използвайки процесите на самоорганизация по начина, по който природата ги използва. В природата такива системи наистина съществуват и се извършват подобни процеси. Най-яркият пример е примерът за сглобяване на най-сложните биологични обекти въз основа на информация, записана в ДНК (виж фиг. 1).
Фигура 1 - Пример за самостоятелно сглобяване на биологична структура
Както беше преди? Взехме, да речем, парче желязо и направихме чук от него, като просто премахнахме всички ненужни неща (технология „отгоре надолу“). В близко бъдеще нанотехнологиите ще позволят да се правят продукти от материали от нулата и не винаги ще е необходимо да се сгъва атом към атом „ръчно“; ще можем да използваме феномена на самоорганизация, себе си -сглобяване на наноструктури и наноустройства. В същото време е доста трудно да се очаква, че на наномащаба е възможно изкуствено да се манипулират отделни нанообекти с цел „ръчно” сглобяване на материала. Това все още не е практично (бавно и изисква много работа). Следователно самоорганизацията може да бъде естествен начин за получаване на наноматериали.
Самосглобяване(англ. self-assembly) е термин за описване на процесите, в резултат на които неорганизираните системи, поради специфично, локално взаимодействие на компонентите на системата, идват в подредено състояние.
Самостоятелното сглобяване може да бъде както статично, така и динамично. В случай на статично самосглобяване, организиращата система се приближава до състояние на равновесие, намалявайки свободната си енергия. В случай на динамично самосглобяване е по-правилно да се използва терминът самоорганизация.
Самоорганизацията в класически термини може да бъде описана като спонтанна и обратима организация на молекулярни единици в подредена структура, използвайки нековалентни взаимодействия. Спонтанността означава, че взаимодействията, отговорни за образуването на самосглобена система, се проявяват в локален мащаб, с други думи, наноструктурата се изгражда сама.
При определени условия самите микро- или нанообекти започват да се натрупват под формата на подредени структури. Няма противоречие с основните закони на природата – системата в този случай не е изолирана, а върху нанообектите се упражнява някакво външно влияние. Този ефект обаче не е насочен към конкретна частица, както се случва при сглобяване "отгоре надолу", а наведнъж. Не е необходимо да изграждате необходимата структура ръчно, поставяйки нанообектите в необходимите точки от пространството един след друг – създадените условия са такива, че нанообектите го правят сами и едновременно. Процесите, които използват създаването на такива специални условия, се наричат процеси на самосглобяване и вече играят критична роля в много области на науката и технологиите.
За самостоятелно сглобяващи се компоненти всичко, което се изисква от човек, е да постави достатъчно количество от тях в епруветка и да им позволи автоматично да се сглобят в желаните конфигурации според естествените им свойства.
Към днешна дата, двуизмерни и триизмерни организирани масиви от Pt, Pd, Ag, Au, Fe, Co нанокристали, Fe-Pt, Au-Ag сплави, CdS / CdSe, CdSe / CdTe, Pt / Fe, Pd / Ni са синтезирани наноструктури и др. В допълнение, за анизотропни наночастици беше възможно да се постигне образуването на ориентационно подредени масиви. Наночастиците с еднакъв размер могат да бъдат „сглобени“ в пространствено подредени структури, които са едномерни „нишки“, двуизмерни плътно опаковани слоеве, триизмерни масиви или „малки“ клъстери. Видът на организация на наночастиците и структурата на получения масив зависят от условията на синтез, диаметъра на частиците и естеството на външния ефект върху структурата.
Днес са известни различни методи за самосглобяване, които правят възможно получаването на полезни подредени структури от микрочастици. За да се създадат специални условия, при които се извършва самосглобяване в определена система, могат да се използват гравитационни, електрически или магнитни полета, капилярни сили, игра на омокряемостта-ненамокряемост на компонентите на системата и други техники. В момента процесите на самосглобяване започват да се използват активно в производството.
Същността на феномена самосглобяване
В съвременната наука има огромно количество фактически материал от експериментални наблюдения на феномена на самосглобяването. Особено впечатляващи са наблюденията на самосглобяването на биологични обекти, по-специално работата на Клуг за сглобяването на растителни вируси, удостоени с Нобелова награда за 1982 г. Експерименталните изследвания на самосглобяването имат предимно установяващ характер и предоставят обширни знания за това как се случва това. Въпросът защо това се случва по този начин, а не по друг начин, е предизвикателство за съвременната естествена наука.
Нека разгледаме добре проучения сценарий на сглобяване на вируса бактериофаг Т4, описан във всички учебници и който е класически обект на изследване на самосглобяването. Опростена версия на скрипта е показана на фиг. 2. Сглобяването включва 54 вида протеини, които са строго в определена последователност агрегирани в субагрегати на различни нива, след което субагрегатите се сглобяват в цялостна вирусна частица, включваща повече от хиляда протеинови молекули. Няма смисъл да се моделира този фино координиран, разклонен йерархичен процес с помощта на стохастични концепции за произволно сблъскващи се молекули.
Фигура 2 - Сценарий на сглобяване на бактериофаг Т4
Няма съмнение, че процесът на сглобяване на вируса е детерминиран и контролируем и за да се разбере напълно този процес, е необходимо да се дефинират средства за определяне и механизми за контрол. Научното мислене през втората половина на ХХ век е очаровано от създаването на компютър и откриването на система за управление на протеиновия синтез. И двете системи са идеологически идентични и са олицетворение на принципа на концентрирано управление. Носител на концентриран контрол е знаковата система – линеен императивен контролен език. Съвсем естествено е, че първите опити за математическо моделиране на процесите на самосглобяване и самовъзпроизвеждане са предприети в рамките на теорията на автоматите, например фон Нойман. Въпреки това, данните от експериментални наблюдения не потвърждават последователността на такива модели. Процесите на самосглобяване не се вписват в схема за концентриран контрол.
Експерименталните данни ни позволяват да твърдим, че в процеса на самосглобяване няма контролен елемент и не е открита знакова система под каквато и да е форма, която описва последователността на монтажните действия или реда на подреждане на елементите в структурата на продуктите за самосглобяване . Спецификата на феномена на самосглобяване се крие във факта, че процесът несъмнено е детерминиран, но механизмът на детерминиране не се вписва в прост и разбираем метод на концентриран контрол.
Самосглобяването е реализация на метода на разпределено управление, при който функциите за управление се реализират във вътрешната структура на елементите, участващи в процеса, а контролната информация, която определя процеса, се разпределя между всички елементи. Следователно носителят на детерминация в разпределения контрол са специфични знакови системи, които са фундаментално различни от най-простите императивни линейни езици, като компютърните езици или ДНК-протеиновата система. Основната задача на изследването на самосглобяването е да се определи логиката на връзката на елементите и търсенето на знакови системи, носители на разпределен контрол.
Помислете за хипотетичен сценарий за самосглобяване, който отговаря на изискванията за внедряване на разпределен контрол. Някои от стъпките в скрипта са показани на фиг. 3.
Фигура 3 - Хипотетичен сценарий за взаимодействие на елементи
Да приемем, че два вида молекули, топка и амфора, участват в сглобяването на най-простата конструкция, тръба. Ние разглеждаме само логическия аспект на самосглобяването и все още не включваме физикохимичните основи на взаимодействието в описанието. Топката и амфората са абстракции, надарени с капацитет за някаква постулирана монтажна дейност. В елемента е въведена абстракция "комбинирана ключалка". Инсталационният акт е възможен само ако кодовете за заключване съвпадат. Амфората и топката имат различни комбинирани ключалки K1 и K2, следователно при първата стъпка на сглобяване две топки се блокират. В резултат на това се образува субединица с нова K2 ключалка с код. Освен това, амфора с кодова ключалка K2 се закачва към поделемента и се формира под-единица „зъб“ с кодова ключалка K3. Освен това от зъбите, както и от секторите, се изграждат дискове и дисковете се сглобяват в тръба. За да се изгради такъв сценарий, е необходимо да се постулира процедура за елементарен монтажен акт.
Нека дефинираме елементарния монтажен акт като процедура от четири стъпки:
.активиране на кодовата ключалка;
.търсене и сближаване на два елемента със съвпадащи кодове за заключване;
работа на брави
гасене на дейността им, образуване на нова кодирана ключалка за продължаване на процеса.
Така при всяка стъпка на сглобяване актовете на сглобяване се определят от състоянията на кодовите брави, а изпълнението на акта на сглобяване завършва с генериране на нов код и ново заключване.
В момента има математически инструменти, които могат да опишат логическия аспект на процесите на самосглобяване. Системите за поточно производство отговарят на изискванията за знакови системи, които поддържат разпределен контрол и могат на логическо ниво да играят ролята на детерминанти на процеса на самосглобяване. Непосредствената следваща задача е съвместна работа с физици и биолози за изграждане на поточни производствени системи, които симулират реални сценарии на самосглобяване на конкретни обекти на логическо ниво. Това ще бъде последвано от търсене на елементи на поточни производствени системи във физикохимичната структура на елементите на участниците в самосглобяване. Най-голяма готовност за подобни програми има в областта на изследването на растителни вируси. ...
Ако някой смята, че студент от Донецкия университет Н.В. Ребров пише глупости тук, цитирам материал, който съм чел преди 20 години и който съм донесъл в книгата си "Геометрията на живота" .
Има много важно наблюдение на Съветския съюз относно "автосглобяването" на органичните структури. Академик В.А. Енгелхард(1894-1984).
Ето какво пише той за това явление в статията. „За някои атрибути на живота: йерархия, интеграция, „признание”.(Статията е публикувана в сборника: „Философия, естествени науки, модерност”, Москва, „Mysl”, 1981).
„Феномените на „разпознаване“ и в същото време интегриране в особено отчетлива, почти визуално възприемана форма (ако прибягваме до помощта на електронен микроскоп), се изразяват в процесите на т.нар. самосглобяване на надмолекулни структури, като вируси и фаги, рибозоми или ензимни частици със сложна структура ... Голям брой процеси от този вид вече са подробно проучени. Те по същество се свеждат до факта, че ако сложен, многокомпонентен обект се разложи изкуствено на съставните му части чрез някои щадящи методи, изолира ги един от друг и след това смеси в подходящи пропорции и създаде благоприятни условия, тогава те спонтанно ще се сглобят отново. в първоначалната им цялост. Неговата полезност е лесно и с най-убедително доказателство от факта, че се възстановява не само оригиналната му морфологична структура, но и специфичните му биологични свойства, например каталитична активност в ензимите, инфекциозни свойства при вируси и др.
Както всички вие, приятели, разбирате хода на описаните процеси "признание"и самостоятелно сглобяванемолекулярни структури в нещо "цяло" и в същото време съживяване, оживяване(!), не могат да бъдат представени без процеси информационно и енергийно взаимодействие на микросвета с макросвета... Как протича такъв процес на информационно-енергийно взаимодействие между макро- и микрокосмоса е описан доста ясно от съветския учен, професор Александър Леонидович Чижевски (1897-1964), създателят на нова наука - " хелиобиология".
„Процесът на развитие на органичния свят не е самостоятелен, автохтонен, самостоятелен процес, а е резултат от действието на земни и космически фактори, от които последните са най-важни, тъй като те определят състоянието на земна среда.Във всеки един момент органичният свят е под влиянието на космическата среда и най-чувствително отразява в себе си, в своите функции, промените или флуктуациите, които се случват в космическата среда. Лесно можем да си представим тази зависимост, ако си спомним, че дори малка промяна в температурата на нашето Слънце би трябвало да доведе до най-приказните, невероятни промени в целия органичен свят. И има много такива важни фактори като температурата: космическата среда ни носи стотици различни, постоянно променящи се и колебливи сили от време на време. Някои електромагнитни лъчения, идващи от Слънцето и звездите, могат да бъдат разделени на много голям брой категории, различаващи се една от друга по дължина на вълната, количество енергия, степен на пропускливост и много други свойства..."
Остава само да добавя: по същия начин, както се раждат в Природата по принцип "самосъбиране"различни вируси и фаги, точно като на принципа на "самосъбиране" в океана световно излъчванев което с право вярвали древните мъдреци люлка на животаи средата за разпространение на топлина и светлина, целият живот като цяло се роди. Когато осмисляте тази информация, бих препоръчал да вземете предвид факта, че спонтанно поколениесложни форми на живот на земята от време на времеи тези еволюционни процеси, очевидно, са свързани с катаклизми от глобален мащаб, например, като смяната на земните полюси или падането на гигантски астероиди на Земята. В природата нищо не е случайно, всичко е естествено, следователно, всяко глобален процесзадължително свързани с някои други глобален процес... И когато нещо умирав планетарен или дори в Космически мащаб, нещо друго е роденпо същото време.
През последните години понятието "самоорганизация" се използва широко за описание и обяснение на подобни явления във физически, химични, биологични и дори икономически и социологически системи. Изглежда, че противно на общоприетите термодинамични закони, в разпределена динамична система, състояща се от прости елементи, присъщи на нея, се появява ред - сложни структури, сложно поведение или сложни пространствено-времеви явления. В този случай свойствата на възникващите структури са коренно различни от свойствата на първоначалните елементи на системата. И най-изненадващо е, че самоорганизацията в системата се появява спонтанно от едно хомогенно състояние.
Самоорганизацията е феномен на спонтанно образуване на структура в системи, които са различни по своята физическа природа. Спонтанното възникване на структура означава появата на подредено състояние при първоначално произволно разпределение на компонентите на системата без видимо външно влияние. В общия случай подредените състояния могат да бъдат пространствено неравномерно разпределение на материалните компоненти на системата, което се запазва във времето; постоянни колебания в концентрациите на компонентите на системата, когато те се колебаят между две или повече стойности; по-сложни форми на подредено колективно поведение на компонентите. Образуването на структура е еднакво присъщо както на физически устройства като лазери и химични реакционни среди, така и на биологични тъкани, общности от живи организми, геоложки и метеорологични процеси и социални явления на човешкото общество. Механизмите за самоорганизация са различни за системи от различно естество, но въпреки това всички те споделят някои общи структурни и динамични характеристики.
Системите от различно естество могат да съответстват на различни, често рязко различаващи се една от друга, нива на сложност на самоорганизация. Тази сложност се определя от естеството на самоорганизиращата се система – сложността на нейната структура и поведение, динамичните механизми на взаимодействие между компонентите. Така много по-сложното поведение на колективните насекоми (пчели, термити, мравки) в сравнение с бактериите и вирусите лежи в основата на много по-сложните процеси на самоорганизация на поведението в общността на колективните насекоми. В същото време специфични прояви на процеси на самоорганизация на относително прости нива на неговата сложност могат да действат като неразделна част от явления на по-сложно ниво.
Сред физическите системи са открити ярки и последователни примери за самоорганизация. Концепцията за самоорганизация се разпростира и до химическите явления, където наред с него широко се използва терминът "самосъбиране". А в биологията, през втората половина на 20-ти век, самоорганизацията се превръща в централна концепция при описването на динамиката на биологичните системи, от вътреклетъчните процеси до еволюцията на екосистемите. Така самоорганизацията е интердисциплинарен феномен и принадлежи към областта на знанието, която обикновено се нарича кибернетикаили по-тясно - синергетика.
Всеки конкретен процес на самоорганизация се основава на някакъв вид дуализъм. От една страна, самоорганизацията на системата се осъществява чрез специфични физични, химични или някакви други механизми. От друга страна, за да бъде системата самоорганизираща се, е необходимо да се изпълнят общите за всички самоорганизиращи се системи кибернетични условия – общите принципи на самоорганизация.
- 1. Процесите на самоорганизация възникват в разпределени динамични системи. Разпределената система трябва да бъде съвкупност от голям брой отделни компоненти, елементи, които съставляват системата. Те могат да включват отделни молекули в системи за химическа реакция-дифузия, индивиди в ято риби, индивиди в тълпа, събрана на площад. Тези компоненти трябва да взаимодействат помежду си, тоест системата трябва да бъде динамична, работеща на базата на динамични механизми.
- 2. Важна особеност на процесите на самоорганизация е, че те се осъществяват в отворени системи. В термодинамично затворена система еволюцията във времето води до състояние на равновесие с максимална стойност на ентропията на системата. И според Болцман това е състояние с максимална степен на случайност.
- 3. Системата трябва да показва положителни и отрицателни отзиви. Процесите, протичащи в динамична система, са склонни да променят първоначалните връзки между компонентите на системата, участващи в тези процеси. Това може условно да се нарече промени на изхода на системата. В същото време тези компоненти са изходни за процесите, протичащи в системата, те са и параметри на входа на системата. Ако промените в изхода на системата влияят на входните параметри по такъв начин, че промените в изхода се усилват, това се нарича положителна обратна връзка.Под негативно мнениетова означава ситуация, когато динамичните процеси в системата поддържат постоянно състояние на изхода. В общия случай динамичните системи с положителни и отрицателни обратни връзки се моделират чрез нелинейни диференциални уравнения. Това е отражение на нелинейния характер на системите, способни да се самоорганизират - основното, очевидно, свойство на една система, което определя способността й за самоорганизация.
Самосглобяването има химичен произход. Въведен е през 1987 г. от френския химик Ж.-М. Лен, за да се разграничат сред многобройните явления на самоорганизация процесите на спонтанно структурообразуване в системи, които са в състояние на термодинамично равновесие. Наистина, голям брой такива процеси на образуване на структура са известни при равновесни или по-скоро условия, близки до равновесни. Сред тях, например, преходи "спирала-намотка" в полимерни молекули, образуване на супрамолекулни структури на амфифилни молекули (мицели, липозоми, бислоеве) и др., До кристализация. По принцип терминът "самосъбиране" се използва по отношение на молекулярните системи. Независимо от това, процеси, приписвани на самосглобяване, бяха открити и в случая на други микрометрични образувания.
Самосглобяванесе нарича процес, при който се образува спонтанно подредено единно цяло (агрегат) от отделни компоненти или компоненти на смес поради минимизиране на тяхната обща енергия. В природата крайната конформация на огромен брой макромолекули (като протеини, мицели, липозоми и колоиди) се образува чрез самосглобяване по време на процеса на сгъване. Има много примери за естествено самосглобяване, което се случва спонтанно под въздействието на природни сили. Такива естествени самосглобявания се наблюдават на всички нива (от молекулярно до макромолекулно) и в различни системи от жива материя.
Самосглобяването в нанотехнологиите обхваща широк спектър от концепции и начини за усложняване на структури, от отглеждане на кристали до създаване на перфектни биологични организми. С помощта на естествени механизми при такова самосглобяване е възможно да се формират и създават различни наноструктури и след това по-големи системи и материали с необходимите физикохимични свойства. Уголемените хетерогенни агрегати трябва да са подходящи за изпълнение на различни сложни функции или да създават нови форми на материали с необичайни свойства.
Изпълнението на ръководено самосглобяване на необходимите изкуствени наноструктури от молекулярни „градивни“ блокове е основната задача на нанотехнологиите. Разбира се, за решаването му е необходимо да се използва информация за междумолекулните взаимодействия между молекулярните „градивни“ блокове, пространственото подреждане на наноструктурите, резултатите от компютърното молекулярно моделиране, както и данни от бионика. Биониката означава производството на изкуствени обекти, които имитират естествени системи, базирани на структурите и функциите на биологичните вещества.
Самосглобяването е основният процес (или движеща сила), който доведе от неживата материя до еволюцията на биологичния свят. Разбирането, предизвикването и насочването на самосглобяването е ключът към постепенния преход отдолу нагоре към нанотехнологиите. Ако познавате принципите на самосглобяването, можете да разберете ролята на различните сили на междумолекулно взаимодействие, които управляват това самосглобяване. За да предизвикате и контролирате необходимия процес на самосглобяване, също така е необходимо да можете да моделирате и прогнозирате хода на процеса на самосглобяване при различни условия.
Успехът на самосглобяването се определя от пет фактора:
- 1. Наличието на молекулярни градивни елементи.Самосглобяването на големи молекули, в диапазона от 1 до 100 nm, представлява най-голям интерес за нанотехнологиите. Освен това, колкото по-големи и добре структурирани са първоначалните молекулярни „градивни“ блокове, толкова по-високо е нивото на технически контрол върху останалите молекули и техните взаимодействия, което значително улеснява процеса на самосглобяване. Диамантоидите - въглеводороди, в които въглеродните атоми образуват тетраедрична пространствена решетка, точно същата като в диаманта (адамантани, диамантани и триамантани) - могат да се считат за най-универсалните и обещаващи категории молекулярни „градивни“ блокове.
- 2. Междумолекулни взаимодействия.Обикновено силите, осигуряващи самосглобяване, се определят от слаби нековалентни междумолекулни връзки: електростатични и водородни връзки, ван дер Ваалс, полярни, хидрофобни и хидрофилни взаимодействия. Съвместимостта на отделните части и стабилността на целия комплекс за самосглобяване се осигурява от голям брой такива слаби взаимодействия за конформацията на всяко молекулно място. Пример за стабилно самосглобяване, изградено върху слаби взаимодействия, е структурата на протеините.
- 3. Обратимост на процеса.Съществуващите, както и предлаганите самосглобки в нанотехнологиите са контролирани, но спонтанни процеси, в хода на които молекулярните „градивни” блокове се комбинират в необходимите подредени сглобки или комплекси. За да бъде такъв процес спонтанен, той трябва да се осъществи по обратим начин.
- 4. Осигуряване на подвижността на молекулите.Поради динамичния характер на процеса на самосглобяване, той изисква течна среда. Възможна външна среда може да включва: течности, газове, флуиди в свръхкритично състояние, интерфейси между кристали и течности от страната на течната фаза и т.н. Във всички тези случаи по време на самосглобяване трябва да протичат динамични обменни процеси в посока за достигане на системите за минимална енергийна стойност.
- 5. Среда на потока на процеса.Самостоятелното сглобяване се влияе значително от околната среда. Полученият молекулен агрегат е подреден набор от частици, които имат термодинамично най-стабилната конформация. Самосглобяването се извършва в течна и газообразна среда (включително средата "плътен газ - свръхкритична течност"), близо до интерфейса кристал-флуид или на интерфейса газ-течност.
На всеки етап от сглобяването поне един компонент трябва свободно да дифундира в разтворителя, за да намери своето специфично място на свързване, след като се изследват всички възможни позиции и ориентации. Това изисква компонентът да е разтворим, да има повърхност, допълваща повърхността на неговото специфично място на свързване и всички други повърхности на заготовката и компонента да са некомплементарни, за да се предотврати тяхното стабилно свързване. Тези параметри допълват функционалните изисквания: материалите и работната среда в естествени условия са най-подходящи за формиране на сложни структури чрез самосглобяване. Този процес е успешно приложен в супрамолекулната химия и също така се използва широко за контролиране на молекулярната кристализация.
Нека разгледаме методологията за самостоятелно сглобяване. Има два вида от него, които се основават на два процеса, протичащи, първо, на границата между течната и твърдата фаза и, второ, във флуидната фаза. Течната фаза може да се приеме като течност, пара или плътен газ (в свръхкритично състояние).
Съществуват редица лабораторни методи за самосглобяване, които използват течна среда като външна среда за свързване на молекули и твърда повърхност като основа за нуклеация и растеж.
Фиксирането на молекули като семена за сглобяване върху твърди субстрати, използвани за самосглобяване, може да се извърши чрез образуване на ковалентни или нековалентни връзки между молекулата и повърхността. Първите причиняват необратимо и следователно стабилно фиксиране на всички етапи на сглобяване. Фиксирането с помощта на последното е обратим процес, в началото на който е нестабилен, но става стабилен със съответното развитие на процеса на самосглобяване.
Ковалентната връзка, най-често използвана за фиксиране, е връзката на сулфида с благороден метал. Един такъв пример е ковалентната връзка между тиол-съдържащи молекули (като алканетиолови вериги или протеини, съдържащи цистин в структурата си) и златото. Типичните нековалентни връзки, използвани за фиксиране, включват следните три типа свързване: 1) поради енергията на афинитета към антителата; 2) поради енергията на афинитета при използване на системата биотин-стрептавидин и нейната модификация; 3) комплексообразуване с фиксирани метални йони.
Самостоятелното сглобяване на монослой е от голямо практическо значение. По дефиниция, самостоятелно сглобен монослой е двуизмерен филм с дебелина една молекула, който образува ковалентни връзки с твърда повърхност. Самосглобяването на монослой се използва широко в нанотехнологиите, включително нанолитографията, при модифициране на адхезивните свойства и характеристиките на омокряне на повърхностите, при разработването на химични и биологични сензори, изолационни слоеве в микроелектронни вериги и производството на наноустройства и др.
Различни методи за производство на самосглобяващи се протеинови монослоеве (SSM):
Нека разгледаме различни начини за самосглобяване на протеинов монослой (фиг. 6.14).
- 1. Физическа адсорбция.Тази техника се основава на адсорбцията на протеини върху твърди повърхности като въглероден електрод, метален оксид или силициев оксид. Адсорбираните протеини образуват самосглобяващ се монослой с произволно ориентирани протеини. Контролът на характеристиките на ориентация може да бъде подобрен чрез модифициране на протеина и самата повърхност, както е показано на фиг. 6.14а.
- 2. Включване на полиелектролити или проводими полимери,който може да служи като матрица, чиято повърхност улавя, фиксира и адсорбира протеини. Този процес е показан на фиг. 6.146.
- 3. Включване в самостоятелно сглобен монослой от алканетиолни веригисъздава подобен на мембрана монослой върху благороден метал, докато протеините могат да бъдат физическа адсорбция (а); разпространение на протеини в полиелектролити или проводими полимери (b); впръскване в CCM (c); присъединяване към SSM с неориентирано местоположение ( Г); присъединяване към SSM с ориентирана подредба (b); директно специфично прикрепване към златната повърхност (д).
разположени без определена ориентация. Ако се използват вериги с различна дължина (създаващи вдлъбнатини и ями), това ще определи определена топография на самосглобяващия се монослой, който от своя страна може да ориентира протеините (фиг. 6.14в).
- 4. Неориентирано закрепване към самосглобяващ се монослой.В този случай веригите, образуващи самосглобяващ се монослой, имат функционални групи в краищата, които реагират по неспецифичен начин с различни региони на протеина. Поради тази причина ориентацията на протеините е произволна, както е показано на фиг. 6,14гр.
- 5. Ориентирано закрепване към самостоятелно сглобен монослой.Принципите на сглобяване са същите като в предишния случай, но тук функционалната група конкретно взаимодейства само с определен домейн или част от този домейн и следователно се осъществява ясно изразена ориентация. За тази цел структурата на протеините може да бъде химически или генетично модифицирана. Този метод за самостоятелно сглобяване е показан на фиг. 6.14d.
- 6. Директно селективно придържане към златото.Това се случва, когато цистинът, който има уникални свойства, се свърже със златната повърхност. В този случай ориентацията е напълно контролирана. Тази опция за свързване е показана на фиг. 6.14f.
При производството и свързването на проводници и превключватели се използва самостоятелно сглобяване, насочено към напрежение. Повърхност с литографски определен релеф се импрегнира с отложено вещество с контролиран състав при условия на деформация. В субстрата може да се въведе функционална група, която обикновено се свързва с функционалността на повърхността. Този метод на самосглобяване може да се използва например при създаването на полупроводникови устройства, където се изисква да се фиксират компонентите на системата върху твърд субстрат, за да се контролира напълно напредъкът на процеса на самосглобяване и неговото завършване.
Диаграма на сглобяване, ръководена от ДНК
ДНК може да се използва както за сайт-селективно фиксиране, така и като свързващо вещество, което води до решетъчна рамка за самосглобяване на наноструктури. Синтезът на конюгат от нуклеинова киселина и протеин, използвайки специфични взаимодействия между две комплементарни ДНК вериги, антиген и антитяло, между BIO и CTB може да осигури ефективни механизми, които определят посоката на прикрепване на наноструктурираните модули (фиг. 6.15).
Последните постижения в генното инженерство в методите за манипулиране на ДНК последователности, фиксирани към повърхността на златото, като легирането, допълнително увеличават контрола върху процеса на самосглобяване. Подобен метод може да се използва в случай на молекули от неорганични вещества, достигащи размера на нанокристали. ДНК може да се използва и за синтез на матрица. Пример за такъв синтез е производството на сребърни нанопроводници, използвайки ДНК като основа.
Ефективен начин за откриване на обещаващи съединения и самосглобяване е прилагането на постиженията на динамичната комбинаторна химия, която е еволюционен подход отдолу нагоре към нанотехнологиите. За да се разработи структурата на динамичната комбинаторна химия, е необходимо да се събере динамична комбинаторна библиотека от междинни компоненти, които, когато се добавят чрез шаблони, образуват необходимия молекулен комплект. В динамичната комбинаторна химия механизмът за разпознаване на молекули е важен компонент. Допълнението е познаването на особеностите на създаването на комплексите "гост-домакин".
Понастоящем комбинаторната химия се използва като метод за теоретично изследване при установяване на структурните основи на ензимната функция и идентифициране на нови ензимни инхибитори. Смята се, че с негова помощ е възможен потенциално бърз достъп до нови самосглобки в нанотехнологиите, както и до откриването на нови лекарства, супрамолекулни сглобки и катализатори.
Има два вида комбинаторна химия: традиционна и динамична (Фигура 6.16). Основната разлика между двете е, че в динамичната химия молекулярните "градивни" блокове са свързани помежду си чрез слаби, но обратими нековалентни връзки, докато в традиционната комбинаторна химия взаимодействията се дължат главно на силни и необратими ковалентни връзки.
В традиционната комбинаторна химия се образува статична смес от агрегати с фиксиран състав и въведеният "шаблон" (лиганд) избира най-доброто свързващо вещество, без да увеличава съдържанието му. В динамичната комбинаторна химия се изхожда от динамична смес, в която след добавяне на "шаблон" съставът и разпределението на концентрациите на блоковете се променят и най-доброто свързващо вещество по отношение на "шаблона" ще бъде единственият доминиращ продукт.
В комбинаторната химия „шаблон“ (или лиганд) се счита за молекула, йон или макромолекула, които реагират с други компоненти и променят разпределението на концентрацията на продуктите на системата по време на непрекъснати реакции на образуване на необходимия агрегат, макромолекула или междинен продукт. Пример за "шаблон" е ДНК молекула, която служи като модел за синтеза на макромолекула като РНК.
Самосглобяването в динамичната комбинаторна химия дава възможност за нови подходи към молекулярното сглобяване. През последните години в тази област бяха направени много интересни подобрения. По-специално, така нареченото молекулярно докинг, процедура за намиране на оптимални места за прикрепване на малки молекули на лиганд (биологично активно вещество) към протеинова макромолекула, получи голямо развитие.
Динамичната комбинаторна библиотека (DCL) е набор от междинни продукти, които могат да бъдат в динамично равновесие с градивните елементи. За да се опише съставът на DCS, обикновено се използва терминът „химичен комплект“, който се състои от два или повече библиотечни компонента, „изграждащи“ блокове или реагенти. От динамичната комбинаторна библиотека се избират „изграждащи“ блокове със свойства, подходящи за формиране на самосглобяващи се обекти и при наличие на „шаблон“ се извършва самосглобяване.
Компонентите на DCB взаимодействат чрез образуването на слаби нековалентни връзки. По принцип е възможно да се създадат всякакви обратими възли от тези компоненти. Тъй като всички взаимодействия между компонентите са обратими и равновесни, DCB има динамичен характер. Така DCS е в състояние лесно да реагира на различни външни фактори. По-специално, броят на определени DCB агрегати може да се промени с променящите се термодинамични условия и в зависимост от естеството на „шаблона“, добавен към системата. В равновесно състояние преди добавянето на „шаблона“ компонентите на DCB имат много възможности за взаимодействие помежду си чрез слаби нековалентни връзки с образуването на различни агрегати. След добавяне на "шаблон" към системата DCS, съдържанието на междинните вещества се преразпределя. В резултат на това само концентрацията на онези агрегати или възли, които най-добре отговарят на „темпото“, ще се увеличи и ще стане стабилна.
Увеличаване на концентрацията на определен междинен продукт може да настъпи само в резултат на обратимо изместване на останалите реакции в посока на образуването на този продукт, само ако това е продиктувано от условия на равновесие (достигане на минимум енергия и максимум на ентропията). Следователно системата се стреми да осигури на сглобката най-стабилните връзки с „температурата“, докато концентрацията на нестабилни сглобки в този случай намалява. В същото време DCB компонентите могат да взаимодействат помежду си спонтанно, произвеждайки голям брой различни агрегати с различни форми и свойства.
Има много фактори, които влияят върху ефективността на DCS. Те включват:
1. Същността на DCS компонентите и шаблоните.Важно е избраните компоненти да имат подходящи функционални групи. Колкото по-голямо е разнообразието на тези групи в компонентите, толкова по-голяма вариабилност може да се постигне при проектирането на системите (виж фигура 6.17). Освен това свойствата на тези групи трябва да са съвместими със свойствата на "шаблона".
- 2. Видове междумолекулни взаимодействия в DCB.За да се предвиди възможността за образуване на молекулярни агрегати с помощта на изчислителна химия, е необходимо априори да се знаят междумолекулните взаимодействия между компонентите и механизма на свързване на компонента с „шаблона“. В DCB междумолекулните взаимодействия трябва да бъдат нековалентни, което води до обратимостта на трансформациите, възникващи между компонентите на DCB. Такива взаимодействия улесняват бързото установяване на равновесие, така че да могат да бъдат тествани всички налични възможности за образуване на молекулярни агрегати.
- 3. Термодинамични условия.Разтворимостта на компонентите, шаблоните и получените молекулярни агрегати в разтворител (DCB среда) може силно да зависи от равновесните термодинамични условия. За да се повиши ефективността на DCB, разтворимостта на компонентите в средата не трябва да се различава значително от разтворимостта на "шаблона". Във водна среда недостатъчната разтворимост на "шаблона" е проблем главно при използване на протеин като негово качество; нуклеиновите киселини също могат да създадат подобен проблем. Образуването на неразтворим молекулен агрегат измества равновесието в посока на образуването на този агрегат като продукт на реакцията. Условията за протичане на реакциите, представени в DCS, трябва да бъдат възможно най-меки, за да се сведе до минимум вероятността от несъвместимост, неизбежна в процесите на обмен и разпознаване.
- 4. Методи за анализ.В DCS, при определени обстоятелства, трябва да е възможно да се прекратят текущите реакции, така че системата да може да бъде преместена от динамично в статично състояние. Прекратяването на реакциите позволява на системата да бъде „изключена“ от синтеза след добавяне на „шаблон“ и образуването на възможно най-добрия омрежващ реагент. В този случай системата идва в равновесно състояние и разпределението на молекулярните агрегати остава постоянно за анализ.
Понякога може да се постигне опростяване на процеса на самосглобяване чрез анализ на етапа на разпознаване. Молекулното разпознаване е специфична идентификация чрез взаимодействието на една молекула с друга.
Особеността на разпознаването на DCB молекули се крие в избора на най-подходящия рецептор за даден "шаблон". Това допринася за развитието на еволюционен подход за получаване и селективен подбор на най-подходящите рецептори, подобно на еволюционното развитие на природата. Насочена еволюция на лиганди с висок афинитет към биомолекули в нововъзникналата област на комбинаторната химия, наречена динамична променливост,може да се използва широко при самостоятелно сглобяване.
Има два основни подхода към процеса на молекулярно разпознаване: оформяне и оформяне (виж фиг. 6.18).
При "оформяне" създаденият молекулен агрегат от библиотеката от съединения приема формата
Илюстрация на оформяне и оформяне при разпознаване на молекули
празнота, ограничена от "шаблона". Свободното пространство вътре в "шаблона" служи като самородно тяло и място, където компонентите на библиотеката се свързват и се образуват агрегати. Когато "формуването" е директна връзка на компонентите на динамичната библиотека с помощта на "шаблони".
Огромен брой молекули се използват за самосглобяване, образуване на рецептори и разпознаване на молекули. Такива "разпознаващи" молекули могат да съдържат рецептори за разпознаване на киселинни карбоксилни, пептидни, въглехидратни и други групи.
Молекулните рецептори са концептуално най-простите обекти на супрамолекулната химия, въпреки че тяхната структура далеч не винаги е проста. Тяхната функция е да „намират” необходимия субстрат сред подобни и селективно, тоест избирателно да го свързват. Селективността на молекулярното разпознаване се постига, ако наред с комплементарността на рецептора и субстрата между тях има силно общо свързване, което възниква поради множеството взаимодействия на няколко места на свързване. Необходимо условие за такова взаимодействие е голяма контактна площ между рецептора и субстрата.
Налични са специални методи и реагенти за конструиране на циклични, контейнерни или линейни самосглобяващи се структури (или комплекси) като рецептори и за идентифициране на молекули. Например, стратегия за конструиране на циклична структура е да се използват тройни и комплементарни водородни връзки между групата донор-донор-акцептор на една молекула и групата акцептор-акцептор-донор на друга молекула.
Методите на "контейнерна" супрамолекулна химия могат също да се използват за проектиране на макромолекули, които са податливи на молекулярно разпознаване и образуване на специфични връзки. При тези методи вътрешната повърхност на проектираната молекула („домакинът“ или рецепторът) взаимодейства с повърхността на „госта“ или лиганда и енергията на слабите връзки, образувани между тях, определя силата на специфичното свързване и способността за разпознаване на молекули.
След като самосглобяването на компонентите приключи, полученият "домакин" приема индивидуална пространствена конформация, често с празнина или празнина за пълното или частично затваряне на молекулата "гост" в него. Въпреки че контролът върху развитието на технологиите и спецификата на разпознаване при тези методи не са толкова значими, колкото в динамичната комбинаторна библиотека, в много случаи има по-малко ограничения и трудности при разработването, отколкото в системите от динамични комбинаторни библиотеки.
IIIIIIIIIIII "IIIIIIII" IIIIIIIII "IIIIIIIII" IIIIIIIII "IIIIIIII" IIIIIIII "IIIIIIII" IIIIIIII "IIIII11111 No 111111IIIIIIIII No 11111IIIIIIIIIIIIIII No 111IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII No 11 ^
Фиг. 1. Дешифрирана чрез рентгенова кристалография, молекулярната структура на полиедър, получена чрез самосглобяване от 144 молекули "граница =" 0 ">
Група химици от Япония успяха да счупят рекорда за самосглобяване на молекулярни геометрични фигури, поставен от само себе си. Учените успяха да изберат условията и компонентите, така че в разтвора да протече реакцията на самосглобяване на молекулярния полиедър, подобна на вирусните капсиди (протеинови мембрани). Новият рекордьор се състоеше от 144 молекули. Това откритие има огромен потенциал за приложения, тъй като по-малките структури отдавна се използват за катализа, свръхчувствителни сензори, съхранение на енергия, стабилизиране на експлозиви и др.
Философски, експерименталната химия е по същество самосглобяване. Химикът само добавя някои реагенти към други и те взаимодействат в разтвор сами по себе си: като правило нищо освен дифузия и електростатиката не ги тласка един към друг. Кристалите растат по същия начин: една молекула „залепва“ за друга, „избирайки“ най-енергийно благоприятната конформация.
По принцип това се случва и в жива клетка. Молекулите, плаващи в цитоплазмата, се сглобяват в структури, след което тези структури катализират самосглобяването на други структури, до многоклетъчен организъм. Всичко това изглежда като огромна работеща фабрика без нито един работник, управител на магазин, директор или чистачка. Всичко работи по (био)химични закони без нечий съзнателен надзор или контрол – това е резултат от еволюцията, постепенното усложняване, оцеляването на работещите системи и отмирането на неработещите.
Изследването на законите на самосглобяването на молекулите започва с опити за копиране на естествените процеси. Биологичните обекти обаче са такива, че понякога е трудно за човешкия мозък да си представи дори тяхната форма. Това представлява сериозен проблем за биохимичните изследвания. Така постепенно, в началото на 90-те, се зароди идеята: защо всъщност е необходимо да се изследва само естественото самосглобяване? Не можеш ли да дойдеш от другата страна? Изберете модели, които са по-лесни за изследване и се опитайте да разберете природата въз основа на тях. Тоест първо да съберем знанията, разпръснати под горящия фенер, и едва след това да отидем при угасените фенери. Е, какво може да бъде по-просто от геометрични фигури? Тази идея, както често се случва, възниква независимо в различни изследователски екипи - групата на Питър Дж. Станг от САЩ и групата на Макото Фуджита от Япония.
Почти веднага стана ясно, че не може да се спре на двуизмерни структури и да се опита да сглоби триизмерни структури по подобен начин - молекулярни „клетки“; ориз. 3. За получаване на триизмерни форми са необходими донори и/или акцептори с три или повече активни края.
Оказа се, че реакциите имат малко неочаквано и дори противоинтуитивно свойство: ако смесите няколко различни „сини“ молекули с „червени“, те все още „избират“ от разтвора тези, които дават най-подредените структури, без да се смесват с всяка от тях. други. Така всъщност се извършва не само самосглобяване, но и самосортиране (фиг. 4). Това се обяснява с факта, че най-подредените структури в комбинация се оказват енергийно най-благоприятни.
На пръв поглед областта на изследване на самосглобяването на молекулярни геометрични фигури може да изглежда много тясна, от не повече от академичен интерес. Наистина има достатъчно области, които някой ден ще са полезни за нещо (или няма да са полезни), но в разглеждания случай това изобщо не е така. И структурите, и методите за получаването им (както и отворените модели) много бързо намериха огромен брой непосредствени и далечни приложения. Както се очакваше, тези проучвания направиха по-ясно как работи самосглобяването на биологични структури (като вирусни капсиди).
Методите за самосглобяване формират основата за обширна област на изследване на метало-органични рамки (MOFs). Структурите, получени чрез такива методи, се използват като свръхчувствителни сензори, тъй като променят физическите си свойства при взаимодействие с определени вещества. С помощта на молекулярни "клетки" органичните реакции се ускоряват, като се използват вътрешни кухини, за да се доближат реагентите един до друг (както правят ензимите в природата). Те също така стабилизират експлозиви или самозапалими вещества, като бял фосфор. В някои видове молекулярни „клетки“ лекарствата се вкарват и довеждат до целевите органи, заобикаляйки здравите. И това не е пълен списък.
Разбира се, академичните изследвания в такава полезна област също не са спрели. По-специално, един от любопитните въпроси, зададени от изследователите на самостоятелно сглобяване, е – какъв е най-големият брой молекули, които могат да се „самосъбират“ в подредена структура без никаква външна помощ? В природата такъв трик може да се извърши от стотици компоненти (например същите вирусни капсиди). Ще успеят ли химиците да се конкурират с природата?
Предпоследният рекорд е поставен в групата Fujita. В началото на 2016 г., чрез внимателно изчисляване на топологията на желаната структура и планиране на геометрията на молекулярните „детайли на конструктора“, те успяват (само) да сглобят структура, принадлежаща към класа на Архимедовите тела от 90 частици: 30 четиривалентни акцептори на паладий и 60 донора на бипиридин (втори отдясно на фиг. 5).
Стокомпонентната бариера все още не беше преодоляна и някои смятаха, че е непреодолима. Пренебрегвайки предсказанията на скептиците, в ново изследване учените се обърнаха към следващия архимедов полиедър от 180 частици: 60 акцептора на паладий и 120 донора на пиридин (структурата най-вдясно на фиг. 5).
След като направиха съответните изчисления, химиците синтезираха молекулярни тухли за него, направиха разтвор на съставките в съотношение един акцептор към два донора и проследиха реакцията с помощта на ЯМР спектроскопия. Когато всички изходни реагенти реагират, кристалите се изолират от разтвора и тяхната молекулярна структура се характеризира чрез рентгеноструктурен анализ. За изненада на експериментаторите те видяха полиедър със структура, далеч от очакваното (фиг. 6, вляво).
Точно като предишния рекордьор, той се състоеше от 30 акцептори и 60 донора („аха!“ – възкликнаха скептиците), само че не принадлежеше към архимедовите полиедри, а беше близо до друг клас фигури – полиедрите на Голдбърг (вижте полиедъра на Голдбърг) .
Полиедрите на Голдбърг са геометрични форми, открити от математика Майкъл Голдбърг през 1937 г. Класическите политопи на Голдберг се състоят от петоъгълници и шестоъгълници, свързани помежду си според определени правила (между другото, пресеченият икосаедър, познат на мнозина от формата на футболна топка, е пример за полиедъра на Голдберг). Въпреки факта, че в разглежданата статия многогранниците се състоят от триъгълници и квадрати, те са свързани с политопи на Голдберг, което се доказва с помощта на теорията на графите.
Учените направиха допълнителни изчисления, от които следва, че тази структура е метастабилна и че има по-енергийно стабилен полиедър от 48 акцептора и 96 донора, които могат да бъдат получени от същите родителски молекули. Оставаше само да се намерят подходящи условия за неговото производство, изолация и характеристики. След многобройни опити, при различни температури и с различни разтворители, бяха получени кристали, които визуално се различаваха от предишните под микроскоп. С пинсети те са взети от охарактеризираните по-рано и рентгеноструктурният анализ потвърди: нов рекордьор, състоящ се от 144 молекули, е получен чрез самостоятелно сглобяване (фиг. 6, вдясно).
Предвид историята на успешните търсения на приложения за по-малки аналози, авторите се надяват, че ще бъдат намерени интересни приложения за новооткритите молекули, както и методите, които са разработени за тях. Те няма да спрат дотук и възнамеряват да получат още по-големи структури от повече компоненти.
Източници:
1) Раджеш Чакрабарти, Партха С. Мукерджи, Питър Дж. Станг. Супрамолекулна координация: Самосглобяване на крайни дву- и триизмерни ансамбли // Химически прегледи... 2011. Т. 111, С. 6810–6918. DOI: 10.1021 / cr200077m.
2) Даиши Фуджита, Йошихиро Уеда, Сота Сато, Нобухиро Мизуно, Такаши Кумасака, Макото Фудзита. Самосглобяване на четиривалентен полиедър на Голдберг от 144 малки компонента // природата... 2016. Т. 510, С. 563-567. DOI: 10.1038 / природа 20771.
Григорий Молев
Наночастицае частица с размер под 100 микрона. Настоящата тенденция към миниатюризация показа, че едно вещество може да има напълно нови свойства, ако вземете много малка частица от това вещество. Частици с размери от 1 до 100 нанометра обикновено се наричат "наночастици". Например се оказа, че наночастиците от някои материали имат много добри каталитични и адсорбционни свойства. Други материали показват невероятни оптични свойства, например ултратънки филми от органични материали се използват за производството на слънчеви клетки. Такива батерии, въпреки че имат относително ниска квантова ефективност, са по-евтини и могат да бъдат механично гъвкави. Възможно е да се постигне взаимодействие на изкуствени наночастици с естествени наноразмерни обекти – протеини, нуклеинови киселини и т. н. Старателно пречистените наночастици могат да се самоподредят в определени структури. Тази структура съдържа строго подредени наночастици и също така често проявява необичайни свойства. Нанообектите са разделени на 3 основни класа:триизмерни частици, получени чрез експлозия на проводници, плазмен синтез; двуизмерни обекти - филми, получени чрез молекулярно наслояване, CVD, ALD, йонно наслояване; едномерни обекти - мустаци (тези обекти се получават чрез метода на молекулярно наслояване, въвеждане на вещества в цилиндрични микропори). В момента само методът на микролитография е получил широко разпространение, което прави възможно получаването на плоски островни обекти върху повърхността на матрици с размери от 50 nm, използва се в електрониката; CVD и ALD се използват главно за създаване на микронни филми. Други методи се използват главно за научни цели. По-специално трябва да се отбележат методите за йонно и молекулярно наслояване, тъй като те могат да се използват за създаване на истински монослоеве. Нанотехнологии- интердисциплинарна област на фундаменталната и приложна наука и технология, занимаваща се с набор от теоретична обосновка, практически методи за изследване, анализ и синтез, както и методи за производство и използване на продукти с дадена атомна структура чрез контролирано манипулиране на отделни атоми и молекули ... Наноматериали- материали, разработени на базата на наночастици с уникални характеристики, произтичащи от микроскопичните размери на техните компоненти. Въглеродните нанотръби са удължени цилиндрични структури от един до няколко десетки нанометра в диаметър и дълги до няколко сантиметра, състоящи се от една или повече шестоъгълни графитни равнини, навити в тръба и обикновено завършващи с полусферична глава. Фулерените са молекулярни съединения, принадлежащи към класа на алотропните форми на въглерода. Графенът е монослой от въглеродни атоми, получен през октомври 2004 г. в университета в Манчестър. Графенът може да се използва като детектор за молекули. Нанолитографиянай-важният метод за създаване на устройства с нанометров размер. Този метод може да се използва за създаване на електронни схеми, вериги с памет с голям капацитет, сензори. Наномедицина- проследяване, корекция, изграждане и контрол върху човешките биологични системи на молекулярно ниво с помощта на наноустройства и наноструктури. Нанобиоелектроника) - раздел на електрониката и нанотехнологиите, който използва биоматериали и принципите на обработка на информация от биологични обекти в компютърните технологии за създаване на електронни устройства. Молекулярно самосглобяване- Създаване на произволни ДНК последователности, които могат да се използват за създаване на необходимите протеини или аминокиселини.
) — процесът на образуване на подредена надмолекулна структура или среда, в която само компонентите (елементите) на оригиналната структура участват в почти непроменена форма, като адитивно съставляват или „събират“ като части от цялото получената сложна структура.
Описание
Самосглобяването се отнася до типичните методи отдолу нагоре за производство на наноструктури (наноматериали). Основната задача, която се изправя при изпълнението му, е необходимостта по този начин да се повлияят параметрите на системата и така да се зададат свойствата на отделните частици, така че те да бъдат организирани с образуването на желаната структура. Самосглобяването е в основата на много процеси, при които „инструкциите“ за сглобяване на големи обекти са „кодирани“ в структурните характеристики на отделните молекули. Трябва да се разграничи самосглобяването от, което може да се използва като механизъм за създаване на сложни „шаблони“, процеси и структури на по-високо йерархично ниво на организацията от наблюдаваното в оригиналната система (виж фиг.). Разликите се крият в многобройните и многовариантни взаимодействия на компонентите на ниски нива, при които има свои собствени, локални, закони на взаимодействие, които са различни от колективните закони на поведение на самата система за подреждане. Процесите на самоорганизация се характеризират с енергии на взаимодействие с различни мащаби, както и наличието на ограничения върху степените на свобода на системата на няколко различни нива на нейната организация. По този начин процесът на самосглобяване е по-просто явление. Въпреки това не трябва да се стига до крайности и да се приема например, че процесът на растеж на един кристал е самосглобяването на атоми (което по принцип отговаря на определението), въпреки че например самосглобяването на по-големи обекти – микросфери с еднакъв размер, образуващи най-плътната сферична опаковка, което води до образуването на т.нар (триизмерна дифракционна решетка от микросфери) – това е типичен пример за самосглобяване. Самосглобяването включва образуването (например на тиолови молекули върху гладък златен филм), образуването на филми и др.
Илюстрации
автор
- Гудилин Евгений Алексеевич
Източници на
- Философия на наносинтеза // Нанометър, 2007. -www.nanometer.ru/2007/12/15/samosborka_5415.html (дата на достъп: 13.10.2009).
- Самосглобяване // Уикипедия, свободната енциклопедия. - http://en.wikipedia.org/wiki/Self-assembly (дата на достъп: 31.07.2010).
