Մոխրագույն փոշու լեգենդներ. Կոլոիդային մասնիկների մոլեկուլային ինքնակազմակերպում Բնական կենսաբանական նանոկառուցվածքների ինքնահավաքում

Ինչպես կրթական ծրագիրՄեջբերում եմ Ն.Վ.-ի նյութը. Դոնեցկի ազգային տեխնիկական համալսարանի ուսանող Ռեբրովը, ում, ի դեպ, ներկայումս ծանր հրացաններից գնդակահարում է Ուկրաինայի «Ազգային գվարդիան» հրեական Կիևի ուղղությամբ.

ԻՆՔՆԱԺՈՂՈՎՈՒՄ ՆԱՆՈՏԵԽՆՈԼՈԳԻԱՆԵՐՈՒՄ

Նանոկառուցվածքների ձևավորման տարբեր խոստումնալից մոտեցումների շարքում ավելի ու ավելի կարևոր են դառնում նանոտեխնոլոգիաները, որոնք օգտագործում են ինքնակազմակերպումը: Ենթադրվում է, որ ինքնակազմակերպումը հնարավորություն կտա առանձին ատոմներից նանոկառուցվածքներ ստեղծել՝ որպես «ներքևից վեր» տեխնոլոգիա։ Մոլեկուլային ինքնահավաքումը, ի տարբերություն նանոտեխնոլոգիայի «վերևից ներքև» մոտեցման, ինչպիսին է լիտոգրաֆիան, որտեղ ցանկալի նանոկառուցվածքն առաջանում է ավելի մեծ նախածանցից, «ներքևից վեր» մոտեցման կարևոր բաղադրիչն է, որտեղ ցանկալի նանոկառուցվածքն է. մոլեկուլների ձևի և ֆունկցիոնալ խմբերի յուրահատուկ ծրագրավորման արդյունք։

Ի՞նչ նանոկառուցվածքներ կարելի է կառուցել՝ օգտագործելով այս տեխնոլոգիաները: Խոսքը տարբեր նյութերի մասին է, քանի որ այդ տեխնոլոգիաները թույլ են տալիս ստեղծել սարքեր՝ դրանք ձևավորելով ատոմներից և մոլեկուլներից՝ օգտագործելով ինքնակազմակերպման գործընթացները այնպես, ինչպես բնությունն է օգտագործում դրանք։ Բնության մեջ նման համակարգեր իսկապես գոյություն ունեն, և նմանատիպ գործընթացներ են իրականացվում։ Ամենավառ օրինակը ամենաբարդ կենսաբանական օբյեկտների հավաքումն է՝ հիմնված ԴՆԹ-ում գրանցված տեղեկատվության վրա (տես նկ. 1):

Նկար 1 - Կենսաբանական կառուցվածքի ինքնահավաքման օրինակ

Ինչպես նախկինում էր: Վերցրինք, ասենք, մի երկաթի կտոր և դրանից մուրճ պատրաստեցինք՝ պարզապես հեռացնելով ավելորդ ամեն ինչ (վերևից վար տեխնոլոգիա): Նանոտեխնոլոգիան, մոտ ապագայում, հնարավորություն կտա զրոյից նյութերից արտադրանք պատրաստել, և միշտ չէ, որ անհրաժեշտ կլինի ատոմին ատոմ ավելացնել «ձեռքով», մենք կկարողանանք օգտագործել ինքնակազմակերպման, ինքնակազմակերպման ֆենոմենը. նանոկառուցվածքների և նանո սարքերի հավաքում: Միևնույն ժամանակ, բավականին դժվար է ակնկալել, որ նանոմակարդակում հնարավոր է արհեստականորեն շահարկել առանձին նանոօբյեկտներ՝ նյութը «ձեռքով» հավաքելու համար։ Սա դեռ գործնական չէ (դանդաղ և մեծ աշխատանք է պահանջում): Ուստի, նանոնյութեր ստանալու բնական միջոց կարող է լինել ինքնակազմակերպումը:

ինքնահավաքում(Անգլերեն ինքնահավաքում) տերմին է՝ նկարագրելու այն գործընթացները, որոնց արդյունքում անկազմակերպ համակարգերը, համակարգի բաղադրիչների կոնկրետ, տեղային փոխազդեցության պատճառով, գալիս են կարգավորված վիճակի։

Ինքնահավաքումը կարող է լինել և՛ ստատիկ, և՛ դինամիկ: Ստատիկ ինքնահավաքման դեպքում կազմակերպիչ համակարգը մոտենում է հավասարակշռության վիճակին՝ նվազեցնելով նրա ազատ էներգիան։ Դինամիկ ինքնահավաքման դեպքում ավելի ճիշտ է օգտագործել տերմինը ինքնակազմակերպում.

Ինքնակազմակերպումը դասական տերմիններով կարելի է բնութագրել որպես մոլեկուլային միավորների ինքնաբուխ և շրջելի կազմակերպում ոչ կովալենտային փոխազդեցությունների միջոցով պատվիրված կառուցվածքի մեջ: Ինքնաբուխությունը նշանակում է, որ ինքնակազմակերպվող համակարգի ձևավորման համար պատասխանատու փոխազդեցությունները դրսևորվում են տեղական մասշտաբով, այլ կերպ ասած՝ նանոկառուցվածքն ինքն իրեն է կառուցում։

Որոշակի պայմաններում միկրո կամ նանո-օբյեկտներն իրենք սկսում են շարվել պատվիրված կառույցների տեսքով: Այստեղ բնության հիմնարար օրենքների հետ հակասություն չկա. համակարգը այս դեպքում մեկուսացված չէ, և որոշ արտաքին ազդեցություն է գործադրվում նանո-օբյեկտների վրա: Սակայն այս գործողությունն ուղղված է ոչ թե կոնկրետ մասնիկի, ինչպես դա տեղի է ունենում «վերևից ներքև» հավաքման ժամանակ, այլ միանգամից ամեն ինչի: Պետք չէ ձեռքով կառուցել անհրաժեշտ կառուցվածքը՝ նանոօբյեկտները տեղակայելով տարածության պահանջվող կետերում մեկ առ մեկ. ստեղծված պայմաններն այնպիսին են, որ նանոօբյեկտները դա անում են ինքնուրույն և միևնույն ժամանակ: Գործընթացները, որոնք օգտագործում են նման հատուկ պայմանների ստեղծումը, կոչվում են ինքնահավաքման գործընթացներ, և նույնիսկ այժմ դրանք վճռորոշ դեր են խաղում գիտության և տեխնիկայի շատ ոլորտներում:

Ինքնակազմվող բաղադրամասերի համար այն ամենը, ինչ պահանջվում է մարդուց, այն է, որ դրանք բավականաչափ տեղադրվեն փորձանոթի մեջ և թույլ տա, որ դրանք ավտոմատ կերպով հավաքվեն ցանկալի կոնֆիգուրացիաների մեջ՝ ըստ իրենց բնական հատկությունների:

Մինչ օրս Pt, Pd, Ag, Au, Fe, Co նանաբյուրեղների, Fe-Pt, Au-Ag համաձուլվածքների, CdS/CdSe, CdSe/CdTe, Pt/Fe, Pd/Ni երկչափ և եռաչափ կազմակերպված զանգվածներ։ սինթեզվել են նանոկառուցվածքներ և այլն, դ. Բացի այդ, անիզոտրոպ նանոմասնիկների համար հնարավոր եղավ հասնել կողմնորոշված ​​դասավորված զանգվածների ձևավորմանը։ Միատեսակ չափերի նանոմասնիկները կարող են «հավաքվել» տարածական կարգավորված կառույցների մեջ, որոնք միաչափ «թելեր» են, երկչափ խիտ փաթեթավորված շերտեր, եռաչափ զանգվածներ կամ «փոքր» կլաստերներ։ Նանոմասնիկների կազմակերպման տեսակը և ստացված զանգվածի կառուցվածքը կախված են սինթեզի պայմաններից, մասնիկների տրամագծից և կառուցվածքի վրա արտաքին գործողության բնույթից։

Այսօր հայտնի են ինքնահավաքման տարբեր մեթոդներ, որոնք հնարավորություն են տալիս միկրոմասնիկներից ստանալ օգտակար պատվիրված կառուցվածքներ։ Հատուկ պայմաններ ստեղծելու համար, որոնց դեպքում տեղի է ունենում որոշակի համակարգում ինքնահավաքում, կարող են օգտագործվել գրավիտացիոն, էլեկտրական կամ մագնիսական դաշտեր, մազանոթային ուժեր, խաղալ համակարգի բաղադրիչների թրջելիության-չթրջման վրա և այլ տեխնիկա: Ներկայումս արտադրությունում սկսում են ակտիվորեն կիրառվել ինքնահավաքման գործընթացները։

Ինքնակազմակերպման երեւույթի էությունը

Ժամանակակից գիտության մեջ կա ինքնահավաքման երեւույթի փորձարարական դիտարկումների հսկայական փաստացի նյութ։ Հատկապես տպավորիչ են կենսաբանական օբյեկտների ինքնահավաքման դիտարկումները, մասնավորապես 1982 թվականին Նոբելյան մրցանակի արժանացած բույսերի վիրուսների հավաքման մասին Կլուգի աշխատանքը։ Ինքնակազմակերպման փորձարարական ուսումնասիրությունները հիմնականում հաստատող բնույթ են կրում և լայն գիտելիքներ են տալիս այն մասին, թե ինչպես է դա տեղի ունենում: Հարցը, թե ինչու է դա տեղի ունենում այս ձևով և ոչ այլ կերպ, մարտահրավեր է ժամանակակից բնական գիտությանը:

Դիտարկենք լավ ուսումնասիրված T4 բակտերիոֆագ վիրուսի հավաքման սցենարը, որը նկարագրված է բոլոր դասագրքերում և ինքնակազմակերպման ուսումնասիրության դասական առարկա է: Սցենարի պարզեցված տարբերակը ներկայացված է Նկ. 2. Համագումարը ներառում է 54 տեսակի սպիտակուցներ, որոնք խստորեն որոշակի հաջորդականությամբ ագրեգացվում են տարբեր մակարդակների ենթաագրեգատների մեջ, իսկ հետո ենթաագրեգատները հավաքվում են ամբողջական վիրուսային մասնիկի մեջ, որը ներառում է ավելի քան հազար սպիտակուցի մոլեկուլ։ Անիմաստ է մոդելավորել այս նուրբ համակարգված, ճյուղավորված հիերարխիկ գործընթացը պատահականորեն բախվող մոլեկուլների ստոխաստիկ ներկայացումների միջոցով:

Նկար 2 - Բակտերիոֆագ T4-ի հավաքման սցենար

Անկասկած, վիրուսի հավաքման գործընթացը դետերմինիստական ​​է և վերահսկելի, և այս գործընթացը լիովին հասկանալու համար անհրաժեշտ է որոշել որոշման միջոցները և վերահսկման մեխանիզմները: 20-րդ դարի երկրորդ կեսի գիտական ​​մտածողությունը հիացած էր համակարգչի ստեղծմամբ և սպիտակուցների սինթեզի կառավարման համակարգի հայտնաբերմամբ։ Երկու համակարգերն էլ գաղափարապես նույնական են և ներառում են կենտրոնացված վերահսկողության սկզբունքը։ Կենտրոնացված հսկողության կրողը նշանային համակարգ է՝ գծային հրամայական կառավարման լեզու։ Միանգամայն բնական է, որ ինքնահավաքման և ինքնավերարտադրման գործընթացների մաթեմատիկական մոդելավորման առաջին փորձերը կատարվել են ավտոմատների տեսության շրջանակներում, օրինակ՝ ֆոն Նոյմանը։ Սակայն փորձարարական դիտարկումների տվյալները չեն հաստատում նման մոդելների վավերականությունը։ Ինքնահավաքման գործընթացները չեն տեղավորվում միաձուլված կառավարման սխեմայի մեջ:

Փորձարարական տվյալները մեզ թույլ են տալիս պնդել, որ ինքնահավաքման գործընթացում չկա կառավարման տարր և չի հայտնաբերվել որևէ նշանի համակարգ, որը նկարագրում է հավաքման գործողությունների հաջորդականությունը կամ տարրերի դասավորության կարգը ինքնահավաքման արտադրանքի կառուցվածքում: . Ինքնակազմակերպման երեւույթի առանձնահատկությունը կայանում է նրանում, որ գործընթացը, անկասկած, որոշված ​​է, սակայն որոշման մեխանիզմը չի տեղավորվում կենտրոնացված վերահսկողության պարզ և հասկանալի մեթոդի մեջ:

Ինքնահավաքումը բաշխված հսկողության մեթոդի իրականացումն է, որում կառավարման գործառույթներն իրականացվում են գործընթացում ներգրավված տարրերի ներքին կառուցվածքում, և գործընթացը որոշող կառավարման տեղեկատվությունը բաշխվում է բոլոր տարրերի միջև: Հետևաբար, բաշխված հսկողության որոշման կրողը հատուկ նշանային համակարգերն են, որոնք սկզբունքորեն տարբերվում են ամենապարզ հրամայական գծային լեզուներից, ինչպիսիք են համակարգչային կամ ԴՆԹ-սպիտակուցային համակարգերը: Ինքնահավաքման ուսումնասիրության հիմնական խնդիրն է որոշել տարրերի փոխհարաբերությունների տրամաբանությունը և նշանների համակարգերի, բաշխված կառավարման կրողների որոնումը:

Դիտարկենք հիպոթետիկ ինքնահավաքման սցենար, որը համապատասխանում է բաշխված հսկողության իրականացման պահանջներին: Սկրիպտի որոշ քայլեր ներկայացված են Նկ.3-ում:

Գծապատկեր 3 - Տարրերի փոխազդեցության հիպոթետիկ սցենար

Ենթադրենք, որ ամենապարզ կառուցվածքի հավաքման մեջ ներգրավված են խողովակ, երկու տեսակի մոլեկուլներ՝ գունդ և ամֆորա։ Մենք դիտարկում ենք միայն ինքնակազմակերպման տրամաբանական կողմը և նկարագրության մեջ դեռ չենք ներառում փոխազդեցության ֆիզիկաքիմիական հիմքը: Գնդակը և ամֆորան &mdash-ը աբստրակցիաներ են, որոնք օժտված են որոշակի մոնտաժային գործունեության ունակությամբ: Վերացական «համակցված կողպեքը» ներմուծվում է տարրի բաղադրության մեջ։ Հավաքման ակտը հնարավոր է միայն այն դեպքում, եթե կողպեքի ծածկագրերը համընկնում են: Ամֆորան և գնդակը ունեն տարբեր համակցված կողպեքներ K1 և K2, ուստի երկու գնդակներ միացված են հավաքման առաջին քայլին: Արդյունքում ձևավորվում է նոր համակցված կողպեքով K2 ստորաբաժանում: Այնուհետև, ամֆորան K2 ծածկագրով կողպեքով ամրացվում է ենթագրեգատի վրա և ձևավորվում է «ատամ» ենթագրեգատ K3 ծածկագրով կողպեքով: Ավելին, սկավառակները կառուցվում են ատամներից որպես հատվածներ, և սկավառակները հավաքվում են խողովակի մեջ: Նման սցենար կառուցելու համար անհրաժեշտ է նախադրել տարրական հավաքման ակտի ընթացակարգ:

Հավաքման տարրական ակտը մենք սահմանում ենք որպես չորս քայլից բաղկացած ընթացակարգ.

.կոդի կողպեքի ակտիվացում;

.որոնում և երկու տարրերի կոնվերգենցիա՝ համապատասխան կողպեքի կոդերով;

.կողպեքների ակտիվացում

.դրանց գործունեության ապաակտիվացում, գործընթացը շարունակելու համար նոր կոմբինացիոն կողպեքի ձևավորում։

Այսպիսով, հավաքման յուրաքանչյուր քայլում հավաքման ակտերը որոշվում են կոդի կողպեքների վիճակներով, և հավաքման ակտի կատարումն ավարտվում է նոր ծածկագրի և նոր կողպեքի ստեղծմամբ:

Մինչ օրս կան մաթեմատիկական գործիքներ, որոնք կարող են նկարագրել ինքնահավաքման գործընթացների տրամաբանական կողմը: Հոսքային արտադրության համակարգերը բավարարում են նշանների համակարգերի պահանջները, որոնք աջակցում են բաշխված հսկողությանը և կարող են տրամաբանական մակարդակում հանդես գալ որպես ինքնահավաքման գործընթացի որոշիչ: Հաջորդ առաջադրանքը ֆիզիկաքիմիկոսների և կենսաբանների հետ համատեղ աշխատանք է հոսքի արտադրության համակարգերի կառուցման վրա, որոնք տրամաբանական մակարդակում մոդելավորում են կոնկրետ առարկաների ինքնահավաքման իրական սցենարներ: Դրան կհաջորդի հոսքի արտադրության համակարգերի տարրերի որոնումը ինքնահավաքման մասնակիցների տարրերի ֆիզիկական և քիմիական կառուցվածքում: Նման ծրագրերի համար ամենամեծ պատրաստակամությունը բույսերի վիրուսների հետազոտման ոլորտում է։ .

Եթե ​​ինչ-որ մեկը կարծում է, որ Դոնեցկի համալսարանի ուսանող Ն.Վ. Ռեբրովն այստեղ անհեթեթություն է գրել, ես մեջբերում եմ այն ​​նյութը, որը կարդացել եմ 20 տարի առաջ, և որը մեջբերել եմ իմ գրքում. «Կյանքի երկրաչափություն» .

Սովետի կողմից օրգանական կառույցների «ավտոհավաքման» մասին շատ կարևոր դիտարկում կա Ակադեմիկոս Վ.Ա. Էնգելհարդտ(1894-1984).

Ահա թե ինչ է նա գրում այս երեւույթի մասին հոդվածում «Կյանքի որոշ հատկանիշների մասին՝ հիերարխիա, ինտեգրում, «ճանաչում»:(Հոդվածը տպագրվել է ժողովածուում՝ «Փիլիսոփայություն, բնագիտություն, արդիականություն», Մոսկվա, «Միտք», 1981)։

«Ճանաչման» և միևնույն ժամանակ ինտեգրման երևույթները առանձնապես հստակ, գրեթե տեսողական ընկալելի ձևով (եթե դիմում եք էլեկտրոնային մանրադիտակի օգնությանը) արտահայտվում են այսպես կոչված վերմոլեկուլային կառույցների ինքնահավաքման գործընթացներում։ , ինչպիսիք են վիրուսները և ֆագերը, ռիբոսոմները կամ բարդ կառուցվածք ունեցող ֆերմենտային մասնիկները։ Այս կարգի մեծ թվով գործընթացներ արդեն մանրամասն ուսումնասիրվել են: Դրանք, ըստ էության, հանգում են նրան, որ եթե բարդ, բազմաբաղադրիչ առարկան այս կամ այն ​​խնայող մեթոդներով արհեստականորեն տարրալուծվի իր բաղադրիչ մասերի, մեկուսացվի միմյանցից, այնուհետև համապատասխան համամասնություններով խառնվի և ստեղծվեն բարենպաստ պայմաններ, ապա դրանք ինքնաբերաբար կվերահավաքվեն։ իրենց սկզբնական ամբողջականության մեջ: Դրա օգտակարությունը հեշտությամբ և առավելագույն համոզիչությամբ ապացուցվում է նրանով, որ վերականգնվել է ոչ միայն նրա սկզբնական մորֆոլոգիական կառուցվածքը, այլև նրա հատուկ կենսաբանական հատկությունները, օրինակ՝ կատալիտիկ ակտիվությունը ֆերմենտներում, վարակիչ հատկությունները վիրուսներում և այլն»։

Ինչպես դուք բոլորդ, ընկերներ, հասկանում եք նկարագրված գործընթացների ընթացքը «ճանաչում»և ինքնահավաքումմոլեկուլային կառուցվածքները վերածվում են ինչ-որ «ամբողջական» և միևնույն ժամանակ կենդանի, անիմացիոն(!), չի կարող ներկայացվել առանց գործընթացների միկրոտիեզերքի տեղեկատվության և էներգիայի փոխազդեցությունը մակրոկոսմի հետ. Ինչպես է ընթանում մակրո և միկրոաշխարհի միջև տեղեկատվական-էներգետիկ փոխազդեցության նման գործընթացը, միանգամայն հստակ նկարագրեց խորհրդային գիտնական, պրոֆեսոր Ալեքսանդր Լեոնիդովիչ Չիժևսկին (1897-1964), նոր գիտության ստեղծող. " հելիոկենսաբանություն».

«Օրգանական աշխարհի զարգացման գործընթացը ինքնուրույն, ինքնավար, ինքնամփոփ գործընթաց չէ, այլ երկրային և տիեզերական գործոնների գործողության արդյունք է, որոնցից վերջիններս ամենակարևորն են, քանի որ դրանք որոշում են աշխարհի վիճակը: երկրային միջավայրը.Ամեն պահի օրգանական աշխարհը գտնվում է տիեզերական միջավայրի ազդեցության տակ և առավել զգայուն կերպով արտացոլում է իր մեջ, իր գործառույթներում տիեզերական միջավայրում տեղի ունեցող փոփոխությունները կամ տատանումները: Մենք հեշտությամբ կարող ենք պատկերացնել այս կախվածությունը, եթե հիշենք, որ մեր Արեգակի ջերմաստիճանի նույնիսկ աննշան փոփոխությունը պետք է հանգեցնի ամենաառասպելական, անհավատալի փոփոխությունների ամբողջ օրգանական աշխարհում: Եվ կան շատ այնպիսի կարևոր գործոններ, ինչպիսիք են ջերմաստիճանը. տիեզերական միջավայրը ժամանակ առ ժամանակ մեզ է բերում հարյուրավոր տարբեր, անընդհատ փոփոխվող և տատանվող ուժեր: Արևից և աստղերից եկող որոշ էլեկտրամագնիսական ճառագայթներ կարելի է բաժանել շատ մեծ թվով կատեգորիաների, որոնք միմյանցից տարբերվում են ալիքի երկարությամբ, էներգիայի քանակով, թափանցելիության աստիճանով և շատ այլ հատկություններով…»:

Ինձ մնում է միայն ավելացնել՝ ճիշտ այնպես, ինչպես սկզբունքով ծնվում է բնության մեջ «ինքնահավաք»տարբեր վիրուսներ և ֆագեր, ինչպես օվկիանոսում «ինքնահավաքի» սկզբունքը համաշխարհային եթեր, որը հին իմաստունները ճիշտ են համարում կյանքի օրրանև ջերմության և լույսի տարածման միջոցը, ընդհանրապես ծնվեց ողջ կյանքը: Այս տեղեկատվությունը դիտարկելիս խորհուրդ կտայի հաշվի առնել այն փաստը, որ ինքնաբուխ սերունդԵրկրի վրա կյանքի բարդ ձևեր են առաջանում երբեմն-երբեմնև այս էվոլյուցիոն գործընթացները, ըստ երևույթին, կապված են գլոբալ մասշտաբի կատակլիզմների հետ, օրինակ, օրինակ՝ Երկրի բևեռների փոփոխությունը կամ հսկա աստերոիդների անկումը Երկիր: Բնության մեջ ոչինչ պատահական չի լինում, ամեն ինչ բնական է, հետևաբար՝ ցանկացած գլոբալ գործընթացպետք է կապված լինի այլ բանի հետ: գլոբալ գործընթաց. Եվ երբ ինչ-որ բան կորչում էմոլորակային կամ նույնիսկ տիեզերական մասշտաբով, այլ բան ծնվում էմիեւնույն ժամանակ.

Վերջին տարիներին «ինքնակազմակերպում» հասկացությունը լայնորեն կիրառվում է ֆիզիկական, քիմիական, կենսաբանական և նույնիսկ տնտեսական և սոցիոլոգիական համակարգերում նմանատիպ երևույթները նկարագրելու և բացատրելու համար։ Թվում է, որ, հակառակ ընդհանուր ընդունված թերմոդինամիկական օրենքների, բաշխված դինամիկ համակարգում, որը բաղկացած է իր բնորոշ պարզ տարրերից, առաջանում է կարգ՝ բարդ կառուցվածքներ, բարդ վարքագիծ կամ բարդ տարածական-ժամանակային երևույթներ: Միևնույն ժամանակ, ձևավորվող կառույցների հատկությունները սկզբունքորեն տարբերվում են համակարգի սկզբնական տարրերի հատկություններից: Եվ ամենազարմանալին այն է, որ համակարգում ինքնակազմակերպումը ինքնաբերաբար հայտնվում է միատարր վիճակից։

Ինքնակազմակերպումը իրենց ֆիզիկական բնույթով տարբեր համակարգերում կառուցվածքի ինքնաբուխ ձևավորման երևույթ է։ Կառուցվածքի ինքնաբուխ առաջացումը նշանակում է կարգավորված վիճակի ի հայտ գալը համակարգի բաղադրիչների սկզբնական պատահական բաշխման մեջ՝ առանց տեսանելի արտաքին ազդեցության: Կարգավորված վիճակները ընդհանուր դեպքում կարող են լինել համակարգի նյութական բաղադրիչների տարածականորեն ոչ միատեսակ բաշխում, որը պահպանվում է ժամանակի ընթացքում. Համակարգի բաղադրիչների կոնցենտրացիաների չխաթարված տատանումներ, երբ դրանք տատանվում են երկու կամ ավելի արժեքների միջև. բաղադրիչների պատվիրված կոլեկտիվ վարքագծի ավելի բարդ ձևեր: Կառուցվածքի ձևավորումը հավասարապես բնորոշ է և՛ ֆիզիկական սարքերին, ինչպիսիք են լազերը, և՛ քիմիական ռեակցիայի միջավայրին և կենսաբանական հյուսվածքներին, կենդանի օրգանիզմների համայնքներին, երկրաբանական և օդերևութաբանական գործընթացներին և մարդկային հասարակության սոցիալական երևույթներին: Պարզվում է, որ ինքնակազմակերպման մեխանիզմները տարբեր են տարբեր բնույթի համակարգերի համար, բայց, այնուամենայնիվ, դրանք բոլորն ունեն ընդհանուր կառուցվածքային և դինամիկ բնութագրեր:

Բնույթով տարբեր համակարգերը կարող են համապատասխանել ինքնակազմակերպման բարդության տարբեր, հաճախ կտրուկ տարբեր մակարդակների: Այս բարդությունը որոշվում է ինքնակազմակերպվող համակարգի բնույթով՝ նրա կառուցվածքի և վարքի բարդությամբ, բաղադրիչների միջև փոխգործակցության դինամիկ մեխանիզմներով: Այսպիսով, կոլեկտիվ միջատների (մեղուներ, տերմիտներ, մրջյուններ) շատ ավելի բարդ վարքագիծը բակտերիաների և վիրուսների համեմատությամբ ընկած է կոլեկտիվ միջատների համայնքում վարքի ինքնակազմակերպման շատ ավելի բարդ գործընթացների հիմքում: Միևնույն ժամանակ, ինքնակազմակերպման գործընթացների կոնկրետ դրսևորումները դրա բարդության համեմատաբար պարզ մակարդակներում կարող են հանդես գալ որպես ավելի բարդ մակարդակի երևույթների անբաժանելի մաս:

Ֆիզիկական համակարգերում հայտնաբերվել են ինքնակազմակերպման վառ և հետևողական օրինակներ: Ինքնակազմակերպում հասկացությունը տարածվել է նաև քիմիական երեւույթների վրա, որտեղ դրա հետ մեկտեղ լայնորեն կիրառվում է «ինքնակազմակերպում» տերմինը։ Իսկ կենսաբանության մեջ 20-րդ դարի երկրորդ կեսին ինքնակազմակերպումը դարձավ կենտրոնական հասկացություն կենսաբանական համակարգերի դինամիկան նկարագրելու համար՝ սկսած ներբջջային գործընթացներից մինչև էկոհամակարգերի էվոլյուցիան: Այսպիսով, ինքնակազմակերպումը միջառարկայական երեւույթ է և պատկանում է գիտելիքի այն ոլորտին, որը սովորաբար կոչվում է կիբեռնետիկակամ ավելի նեղ սիներգիա։

Ինքնակազմակերպման ցանկացած կոնկրետ գործընթաց հիմնված է որոշակի դուալիզմի վրա: Մի կողմից, համակարգի ինքնակազմակերպումն իրականացվում է կոնկրետ ֆիզիկական, քիմիական կամ ինչ-որ այլ մեխանիզմներով։ Մյուս կողմից, որպեսզի համակարգը ինքնակազմակերպվող լինի, անհրաժեշտ է կատարել բոլոր ինքնակազմակերպվող համակարգերի համար ընդհանուր կիբեռնետիկ պայմանները՝ ինքնակազմակերպման ընդհանուր սկզբունքները։

• 1. Ինքնակազմակերպման գործընթացները առաջանում են բաշխված դինամիկ համակարգերում։ Բաշխված համակարգը պետք է լինի մեծ թվով առանձին բաղադրիչների, համակարգը կազմող տարրերի հավաքածու: Դրանք կարող են ներառել առանձին մոլեկուլներ քիմիական ռեակցիա-դիֆուզիոն համակարգերում, անհատներ ձկների դպրոցում, անհատներ հրապարակում հավաքված ամբոխի մեջ: Այս բաղադրիչները պետք է փոխազդեն միմյանց հետ, այսինքն՝ համակարգը պետք է լինի դինամիկ, գործի դինամիկ մեխանիզմների հիման վրա։
• 2. Ինքնակազմակերպման գործընթացների կարեւոր առանձնահատկությունն այն է, որ դրանք իրականացվում են բաց համակարգերում։ Թերմոդինամիկորեն փակ համակարգում էվոլյուցիան ժամանակի ընթացքում հանգեցնում է հավասարակշռության վիճակի՝ համակարգի էնտրոպիայի առավելագույն արժեքով։ Եվ, ըստ Բոլցմանի, սա քաոսի առավելագույն աստիճան ունեցող պետությունն է։
• 3. Համակարգում պետք է հայտնվեն դրական և բացասական արձագանքներ: Դինամիկ համակարգում տեղի ունեցող գործընթացները հակված են փոխել սկզբնական հարաբերությունները այս գործընթացներում ներգրավված համակարգի բաղադրիչների միջև: Սա պայմանականորեն կարելի է անվանել համակարգի թողարկման փոփոխություններ։ Միևնույն ժամանակ, այս բաղադրիչները սկզբնականներն են համակարգում տեղի ունեցող գործընթացների համար, դրանք նաև համակարգի մուտքի պարամետրերն են: Եթե ​​համակարգի ելքային փոփոխություններն ազդում են մուտքային պարամետրերի վրա այնպես, որ ելքի փոփոխություններն ուժեղանում են, դա կոչվում է. դրական արձագանքները.Տակ բացասական արձագանքենթադրվում է այն իրավիճակը, երբ համակարգում դինամիկ գործընթացները պահպանում են ելքային կայուն վիճակ։ Ընդհանուր դեպքում դրական և բացասական հետադարձ կապերով դինամիկ համակարգերը մոդելավորվում են ոչ գծային դիֆերենցիալ հավասարումներով: Սա ինքնակազմակերպման ընդունակ համակարգերի ոչ գծային բնույթի արտացոլումն է, որը, ըստ երևույթին, համակարգի հիմնական հատկությունն է, որը որոշում է ինքնակազմակերպվելու նրա կարողությունը:

«Ինքնահավաք» հասկացությունը քիմիական ծագում ունի։ Այն ներմուծվել է 1987 թվականին ֆրանսիացի քիմիկոս Ջ.-Մ. Լենը՝ ինքնակազմակերպման բազմաթիվ երեւույթների շարքում առանձնացնելու թերմոդինամիկ հավասարակշռության վիճակում գտնվող համակարգերում ինքնաբուխ կառուցվածքի առաջացման գործընթացները։ Իրոք, կառուցվածքի ձևավորման մեծ թվով նման գործընթացներ հայտնի են հավասարակշռության, ավելի ճիշտ՝ մոտ հավասարակշռության պայմաններում։ Դրանցից են, օրինակ, «խխունջ-կծիկ» անցումները պոլիմերային մոլեկուլներում, ամֆիֆիլ մոլեկուլների վերմոլեկուլային կառուցվածքների առաջացումը (միցելներ, լիպոսոմներ, երկշերտներ) և այլն՝ ընդհուպ մինչև բյուրեղացում։ Հիմնականում «ինքնահավաք» տերմինը օգտագործվում է մոլեկուլային համակարգերի հետ կապված: Այնուամենայնիվ, ինքնահավաքման հետ կապված գործընթացներ հայտնաբերվել են նաև այլ միկրոմետրի չափի գոյացությունների դեպքում։

ինքնահավաքումկոչվում է գործընթաց, որի ժամանակ խառնուրդի առանձին բաղադրիչներից կամ բաղադրիչներից ձևավորվում է ինքնաբուխ կարգավորված ամբողջություն (ագրեգատ)՝ դրանց ընդհանուր էներգիայի նվազագույնի հասցնելու պատճառով։ Բնության մեջ հսկայական թվով մակրոմոլեկուլների վերջնական կոնֆորմացիան (օրինակ՝ սպիտակուցներ, միցելներ, լիպոսոմներ և կոլոիդներ) ձևավորվում է ծալման գործընթացում ինքնակազմակերպմամբ։ Բնական ինքնակազմակերպման բազմաթիվ օրինակներ կան, որոնք ինքնաբերաբար տեղի են ունենում բնական ուժերի ազդեցության տակ: Նման բնական ինքնահավաքները դիտվում են բոլոր մակարդակներում (մոլեկուլայինից մինչև մակրոմոլեկուլային) և կենդանի նյութի տարբեր համակարգերում։

Նանոտեխնոլոգիայի ինքնակազմակերպումն ընդգրկում է կառուցվածքի բարդացման հասկացությունների և ուղիների լայն շրջանակ՝ բյուրեղների աճից մինչև կատարյալ կենսաբանական օրգանիզմների ստեղծում: Նման ինքնակազմակերպման բնական մեխանիզմների օգնությամբ հնարավոր է ձևավորել և ստեղծել տարբեր նանոկառուցվածքներ և հետագա ավելի մեծ համակարգեր և նյութեր՝ պահանջվող ֆիզիկական և քիմիական հատկություններով: Ընդլայնված տարասեռ ագրեգատները պետք է հարմար լինեն տարբեր բարդ գործառույթներ կատարելու կամ անսովոր հատկություններով նյութերի նոր ձևեր ստեղծելու համար:

Մոլեկուլային «շինարարական» բլոկներից պահանջվող արհեստական ​​նանոկառուցվածքների ուղղորդված ինքնահավաքման իրականացումը նանոտեխնոլոգիայի հիմնական խնդիրն է։ Իհարկե, այն լուծելու համար անհրաժեշտ է օգտագործել մոլեկուլային «շինարարական» բլոկների միջմոլեկուլային փոխազդեցության, նանոկառուցվածքների տարածական դասավորության, համակարգչային մոլեկուլային մոդելավորման արդյունքների և բիոնիկան տվյալների մասին տեղեկատվություն։ Բիոնիկա ասելով նկատի ունի բնական համակարգերի նմանակող կենսաբանական նյութերի կառուցվածքի և գործառույթների հիման վրա արհեստական ​​առարկաների արտադրությունը։

Ինքնահավաքումը հիմնական գործընթացն է (կամ շարժիչ ուժը), որը անշունչ նյութից հանգեցրեց կենսաբանական աշխարհի էվոլյուցիային: Ինքնակազմակերպման ըմբռնումը, դրդումը և ուղղորդումը նանոտեխնոլոգիայի աստիճանական անցման բանալին է: Եթե ​​դուք գիտեք ինքնահավաքման սկզբունքները, կարող եք հասկանալ միջմոլեկուլային փոխազդեցության տարբեր ուժերի դերը, որոնք ղեկավարում են այս ինքնահավաքումը: Պահանջվող ինքնահավաքման գործընթացը հրահրելու և այն վերահսկելու համար անհրաժեշտ է նաև տարբեր պայմաններում մոդելավորել և կանխատեսել ինքնահավաքման գործընթացի ընթացքը:

Ինքնահավաքման հաջողությունը որոշվում է հինգ գործոնով.

• 1. Մոլեկուլային «շինարարական» բլոկների առկայությունը.Նանոտեխնոլոգիայի համար ամենամեծ հետաքրքրությունը մեծ չափերի մոլեկուլների ինքնուրույն հավաքներն են՝ 1-ից 100 նմ միջակայքում: Միևնույն ժամանակ, որքան մեծ և լավ կառուցվածք ունեն սկզբնական մոլեկուլային «շինարարական» բլոկները, այնքան բարձր է տեխնիկական վերահսկողության մակարդակը մնացած մոլեկուլների և դրանց փոխազդեցության վրա, ինչը մեծապես հեշտացնում է ինքնահավաքման գործընթացը: Որպես մոլեկուլային «շինարարական» բլոկների առավել բազմակողմանի և խոստումնալից կատեգորիաներ, կարելի է համարել ադամանդոիդներ՝ ածխաջրածիններ, որոնցում ածխածնի ատոմները կազմում են քառաեզր տարածական վանդակ, ճիշտ նույնը, ինչ ադամանդում (ադամանտաններ, դիամանտաններ և տրիամանտաններ):
• 2. Միջմոլեկուլային փոխազդեցություններ.Սովորաբար ինքնահավաքումն ապահովող ուժերը որոշվում են թույլ ոչ կովալենտային միջմոլեկուլային կապերով՝ էլեկտրաստատիկ և ջրածնային կապեր, վան դեր Վալս, բևեռային, հիդրոֆոբ և հիդրոֆիլ փոխազդեցություններ։ Առանձին մասերի համատեղելիությունը և ամբողջ ինքնահավաքման համալիրի կայունությունը ապահովվում է յուրաքանչյուր մոլեկուլային տեղամասի ձևավորման համար նման թույլ փոխազդեցությունների մեծ թվով: Թույլ փոխազդեցությամբ կառուցված կայուն ինքնահավաքի օրինակ է սպիտակուցների կառուցվածքը:
• 3. գործընթացի հետադարձելիություն.Նանոտեխնոլոգիայում գոյություն ունեցող, ինչպես նաև առաջարկվող ինքնահավաքները վերահսկվում են, բայց ինքնաբուխ գործընթացներ, որոնց ընթացքում մոլեկուլային շինարարական բլոկները միավորվում են պահանջվող պատվիրված հավաքների կամ համալիրների մեջ: Որպեսզի նման գործընթացն ինքնաբուխ լինի, այն պետք է իրականացվի շրջելի ճանապարհով։
• 4. Մոլեկուլների շարժունակության ապահովում.Ինքնակազմակերպման գործընթացի դինամիկ բնույթից ելնելով, այն իրականացնելու համար պահանջվում է հեղուկ միջավայր: Օգտագործման հնարավոր միջավայրը կարող է ներառել՝ հեղուկներ, գազեր, հեղուկներ գերկրիտիկական վիճակում, բյուրեղների և հեղուկների միջերեսներ հեղուկ փուլից և այլն: Այս բոլոր դեպքերում, ինքնահավաքման ժամանակ, դինամիկ փոխանակման գործընթացները պետք է տեղի ունենան հասնելու ուղղությամբ նվազագույն էներգիայի արժեքային համակարգեր.
• 5. Գործընթացի միջավայր.Ինքնահավաքումը զգալիորեն ազդում է շրջակա միջավայրի վրա: Ստացված մոլեկուլային ագրեգատը մասնիկների դասավորված շարք է, որն ունի թերմոդինամիկորեն ամենակայուն կոնֆորմացիա։ Ինքնակազմակերպումը տեղի է ունենում հեղուկ և գազային միջավայրերում (ներառյալ խիտ գազ-գերկրիտիկական հեղուկ միջավայրում), բյուրեղի և հեղուկի միջերեսի մոտ կամ գազի և հեղուկի միջերեսում:

Հավաքման յուրաքանչյուր փուլում առնվազն մեկ բաղադրիչ պետք է ազատորեն ցրվի լուծիչում, որպեսզի գտնի հատուկ կապակցման վայր, որը նախատեսված է միայն դրա համար բոլոր հնարավոր դիրքերն ու կողմնորոշումները ուսումնասիրելուց հետո: Սա պահանջում է, որ բաղադրիչը լինի լուծելի, ունենա մակերես, որը լրացնում է իր հատուկ կապակցման վայրի մակերեսին, և որ նախածանցի և բաղադրիչի բոլոր մյուս մակերեսները լինեն ոչ կոմպլեմենտար՝ կանխելու դրանց կայուն կապը: Այս պարամետրերը լրացնում են ֆունկցիոնալ պահանջները. ինքնակազմակերպման օգտագործմամբ բարդ կառույցների ձևավորման համար առավել հարմար են բնական պայմաններում նյութերը և աշխատանքային միջավայրերը: Այս գործընթացը հաջողությամբ օգտագործվել է գերմոլեկուլային քիմիայում և լայնորեն օգտագործվում է նաև մոլեկուլային բյուրեղացումը վերահսկելու համար:

Դիտարկենք ինքնահավաքման մեթոդաբանությունը: Գոյություն ունի դրա երկու տեսակ, որոնք հիմնված են երկու գործընթացների վրա, որոնք տեղի են ունենում, առաջին հերթին, հեղուկ և պինդ փուլերի միջերեսում և, երկրորդը, հեղուկ փուլի ներսում: Հեղուկի փուլը կարող է ընդունվել որպես հեղուկ, գոլորշու կամ խիտ գազ (գերկրիտիկական վիճակում):

Կան մի շարք լաբորատոր ինքնահավաքման մեթոդներ, որոնք օգտագործում են հեղուկ միջավայրը որպես արտաքին միջավայր՝ մոլեկուլների միացման համար, իսկ պինդ մակերեսը՝ որպես միջուկացման և աճի հիմք։

Մոլեկուլների ամրագրումը որպես սերմեր՝ պինդ ենթաշերտերի վրա, որոնք օգտագործվում են ինքնահավաքման համար, կարող է իրականացվել մոլեկուլի և մակերեսի միջև կովալենտային կամ ոչ կովալենտային կապերի ձևավորմամբ։ Առաջինը առաջացնում է անդառնալի և, հետևաբար, կայուն ամրացում հավաքման բոլոր փուլերում: Վերջինիս օգնությամբ ֆիքսումը շրջելի գործընթաց է, որի սկզբում այն ​​անկայուն է, բայց կայուն է դառնում ինքնահավաքման գործընթացի համապատասխան զարգացմամբ։

Ամրագրման համար առավել հաճախ օգտագործվող կովալենտային կապը սուլֆիդ-ազնիվ մետաղական կապն է: Նման օրինակներից է թիոլ պարունակող մոլեկուլների (օրինակ՝ ալկանեթիոլ շղթաները կամ կառուցվածքում ցիստին պարունակող սպիտակուցները) և ոսկու միջև կովալենտային կապը։ Ֆիքսացիայի համար օգտագործվող բնորոշ ոչ կովալենտ կապերը ներառում են կապի հետևյալ երեք տեսակները. 2) բիոտին-ստրեպտավիդին համակարգի օգտագործմամբ կապակցված էներգիայի և դրա փոփոխման շնորհիվ. 3) կոմպլեքսացիա ֆիքսված մետաղի իոններով.

Միաշերտի ինքնուրույն հավաքումը մեծ գործնական նշանակություն ունի։ Ըստ սահմանման, ինքնահավաքված միաշերտը մեկ մոլեկուլ հաստությամբ երկչափ թաղանթ է, որը ստեղծում է կովալենտային կապեր ամուր մակերեսով: Միաշերտի ինքնահավաքումը լայնորեն կիրառվում է նանոտեխնոլոգիայում, ներառյալ նանոլիտոգրաֆիան, մակերեսների կպչուն հատկությունները և խոնավեցման բնութագրերը փոփոխելու, քիմիական և կենսաբանական սենսորների մշակման, միկրոէլեկտրոնային սխեմաների մեկուսիչ շերտերի և նանո սարքերի արտադրության մեջ և այլն:

Սպիտակուցների ինքնահավաքվող մենաշերտերի (SCM) ստացման տարբեր մեթոդներ.

Դիտարկենք սպիտակուցային միաշերտի ինքնահավաքման տարբեր եղանակներ (նկ. 6.14):

• 1. ֆիզիկական կլանումը.Այս տեխնիկան հիմնված է պինդ մակերեսների վրա սպիտակուցների կլանման վրա, ինչպիսիք են ածխածնի էլեկտրոդը, մետաղի օքսիդը կամ սիլիցիումի օքսիդը: Կլանված սպիտակուցները ձևավորում են ինքնահավաքվող միաշերտ՝ պատահական կողմնորոշված ​​սպիտակուցներով: Կողմնորոշման բնութագրերի կառավարումը կարող է բարելավվել սպիտակուցը և ինքնին մակերեսը փոփոխելով, ինչպես ցույց է տրված Նկ. 6.14 ա.
• 2. Պոլիէլեկտրոլիտների կամ հաղորդիչ պոլիմերների ինտեգրում,որը կարող է ծառայել որպես մատրիցա, որի մակերեսը գրավում, ամրացնում և կլանում է սպիտակուցները։ Այս գործընթացը ցույց է տրված Նկ. 6.146.
• 3. Ալկանեթիոլի շղթաների ինտեգրումը ինքնահավաքվող միաշերտի մեջստեղծում է թաղանթանման միաշերտ ազնիվ մետաղի վրա, մինչդեռ սպիտակուցները կարող են ֆիզիկապես կլանվել (ա); սպիտակուցների ներառումը պոլիէլեկտրոլիտներում կամ հաղորդիչ պոլիմերներում (բ); ընդհատված SCM (c); միանալ ՄԿՀ-ին ոչ կողմնորոշված ​​վայրով ( Գ); միացում SMS-ին կողմնորոշված ​​գտնվելու վայրով (բ); ուղղակի տեղամասի հատուկ ամրացում ոսկու մակերեսին (e):

դասավորված է առանց որևէ հատուկ կողմնորոշման: Եթե ​​օգտագործվում են տարբեր երկարությունների շղթաներ (առաջացնելով փորվածքներ և փոսեր), ապա դա կորոշի ինքնահավաքվող միաշերտի որոշակի տեղագրությունը, որն իր հերթին կարող է կողմնորոշել սպիտակուցները (նկ. 6.14c):

• 4. Ոչ կողմնորոշված ​​ամրացում ինքնահավաքվող միաշերտին:Այս դեպքում շղթաները, որոնք կազմում են ինքնահավաքվող միաշերտ, ծայրերում ունեն ֆունկցիոնալ խմբեր, որոնք ոչ սպեցիֆիկ կերպով արձագանքում են սպիտակուցի տարբեր մասերին։ Այդ պատճառով սպիտակուցների կողմնորոշումը պատահական է, ինչպես ցույց է տրված Նկ. 6.14.
• 5. Կողմնորոշված ​​ամրացում ինքնահավաքվող միաշերտին:Հավաքման սկզբունքները նույնն են, ինչ նախորդ դեպքում, բայց այստեղ ֆունկցիոնալ խումբը հատուկ փոխազդում է միայն տվյալ տիրույթի որոշակի տիրույթի կամ հատվածի հետ, և, հետևաբար, իրականացվում է լավ սահմանված կողմնորոշում: Այդ նպատակով սպիտակուցների կառուցվածքը կարող է քիմիապես կամ գենետիկորեն ձևափոխվել: Այս ինքնահավաքման մեթոդը ներկայացված է Նկ. 6.14 դ.
• 6. Ոսկու ուղղակի ընտրովի հավելում:Դա տեղի է ունենում, երբ ցիստինը, որն ունի յուրահատուկ հատկություններ, կապում է ոսկու մակերեսին։ Այս դեպքում կողմնորոշումը լիովին վերահսկվում է։ Այս տեսակի կապը ներկայացված է Նկ. 6.14ե.

Լարվածությամբ առաջնորդվող ինքնահավաքը օգտագործվում է լարերի և անջատիչների արտադրության և միացման համար: Վիմագրականորեն սահմանված ռելիեֆով մակերեսը ներծծվում է կառավարվող կազմի նստեցված նյութով՝ դեֆորմացիայի պայմաններում: Ենթաշերտի մեջ կարող է ներդրվել ֆունկցիոնալ խումբ, որը սովորաբար կապված է մակերեսի ֆունկցիոնալության հետ: Այս ինքնահավաքման մեթոդը կարող է օգտագործվել, օրինակ, կիսահաղորդչային սարքերի ստեղծման ժամանակ, որտեղ պահանջվում է համակարգի բաղադրիչները ամրացնել ամուր հիմքի վրա, որպեսզի ամբողջությամբ վերահսկվի ինքնահավաքման գործընթացի առաջընթացը և դրա ավարտը:

ԴՆԹ-ով առաջնորդվող հավաքի դիագրամ

ԴՆԹ-ն կարող է օգտագործվել ինչպես հանգույցների ընտրովի ամրագրման համար, այնպես էլ որպես կապող նյութ, որի արդյունքում նանոկառուցվածքների ինքնակազմակերպման համար վանդակավոր շրջանակ: Նուկլեինաթթվի և սպիտակուցի կոնյուգատի սինթեզը, օգտագործելով հատուկ փոխազդեցությունները ԴՆԹ-ի երկու կոմպլեմենտար շղթաների, անտիգենի և հակամարմինների միջև, BIO-ի և CTB-ի միջև, կարող է որոշել արդյունավետ մեխանիզմներ, որոնք որոշում են նանոկառուցվածքային մոդուլների կցման ուղղությունը (նկ. 6.15):

Գենային ինժեներիայի վերջին առաջընթացները, ոսկու մակերեսին ամրացված ԴՆԹ-ի հաջորդականությունների մանիպուլյացիայի մեթոդներում, ինչպես դոպինգը, ավելի մեծացնում են վերահսկողությունը ինքնահավաքման գործընթացի նկատմամբ: Նմանատիպ մեթոդ կարող է կիրառվել անօրգանական նյութերի մոլեկուլների դեպքում, որոնք հասնում են նանաբյուրեղների չափի։ ԴՆԹ-ն կարող է օգտագործվել նաև կաղապարների սինթեզի համար: Նման սինթեզի օրինակ է արծաթե նանոլարերի արտադրությունը՝ օգտագործելով ԴՆԹ-ն որպես հիմք:

Խոստումնալից միացությունների և ինքնակազմակերպումների հայտնաբերման արդյունավետ միջոց է դինամիկ կոմբինատոր քիմիայի ձեռքբերումների կիրառումը, որը նանոտեխնոլոգիայի էվոլյուցիոն մոտեցում է ներքևից վեր: Դինամիկ կոմբինատորական քիմիայի կառուցվածքը զարգացնելու համար անհրաժեշտ է հավաքել միջանկյալ բաղադրիչների դինամիկ կոմբինատորային գրադարան, որը, երբ կաղապարները ավելացվում են, ձևավորում է անհրաժեշտ մոլեկուլային հավաքը: Դինամիկ կոմբինատոր քիմիայում կարևոր բաղադրիչ է մոլեկուլային ճանաչման մեխանիզմը։ Հավելված է «հյուր-հյուրընկալ» համալիրների ստեղծման առանձնահատկությունների իմացությունը։

Ներկայումս կոմբինատորական քիմիան օգտագործվում է որպես տեսական հետազոտության մեթոդ՝ ֆերմենտների ֆունկցիայի կառուցվածքային հիմքերի ստեղծման և նոր ֆերմենտային ինհիբիտորների հայտնաբերման համար։ Ենթադրվում է, որ դրա օգնությամբ հնարավոր է արագ հասնել նանոտեխնոլոգիայի նոր ինքնակազմակերպումների, ինչպես նաև նոր դեղամիջոցների, վերմոլեկուլային հավաքների և կատալիզատորների հայտնաբերմանը:

Գոյություն ունի կոմբինատոր քիմիայի երկու տեսակ՝ ավանդական և դինամիկ (նկ. 6.16): Երկուսի միջև հիմնական տարբերությունն այն է, որ դինամիկ քիմիայում մոլեկուլային շինարարական բլոկները միասին են պահվում թույլ, բայց շրջելի ոչ կովալենտային կապերով, մինչդեռ ավանդական կոմբինատոր քիմիայում փոխազդեցությունները հիմնականում պայմանավորված են ուժեղ և անշրջելի կովալենտային կապերով:

Ավանդական կոմբինատոր քիմիայում ձևավորվում է ֆիքսված կազմի ագրեգատների ստատիկ խառնուրդ, և ներկայացված «կաղապարը» (լիգանդը) ընտրում է լավագույն կապող նյութը՝ առանց դրա պարունակությունը մեծացնելու։ Դինամիկ կոմբինատոր քիմիայում մարդը ելնում է դինամիկ խառնուրդից, որտեղ «կաղապարի» ավելացումից հետո փոխվում է բլոկի կոնցենտրացիաների բաղադրությունը և բաշխումը, և «կաղապարի» նկատմամբ լավագույն կապակցիչը կլինի միակ գերակշռող արտադրանքը։ .

Կոմբինատոր քիմիայում «շաբլոն» (կամ լիգանդ) համարվում է մոլեկուլ, իոն կամ մակրոմոլեկուլ, որը փոխազդում է այլ բաղադրիչների հետ և փոխում է համակարգի արտադրանքի կոնցենտրացիաների բաշխումը անընդհատ տեղի ունեցող ռեակցիաների ընթացքում՝ ձևավորելով անհրաժեշտ ագրեգատը։ մակրոմոլեկուլ կամ միջանկյալ արտադրանք։ «Կաղապարի» օրինակ է ԴՆԹ-ի մոլեկուլը, որը գործում է որպես մոդել ՌՆԹ տիպի մակրոմոլեկուլի սինթեզի համար։

Ինքնակազմակերպումը դինամիկ կոմբինատոր քիմիայում հնարավորություն է տալիս մոլեկուլային հավաքման նոր մոտեցումներ: Վերջին տարիներին այս ոլորտում շատ հետաքրքիր բարելավումներ են կատարվել։ Մասնավորապես, մեծ զարգացում է ստացել այսպես կոչված մոլեկուլային միացումը՝ սպիտակուցի մակրոմոլեկուլին լիգանդի (կենսաբանական ակտիվ նյութ) փոքր մոլեկուլների օպտիմալ կցման վայրերի որոնման ընթացակարգը:

Դինամիկ համակցված գրադարանը (DCL) միջանկյալ նյութերի մի շարք է, որոնք կարող են դինամիկ հավասարակշռության մեջ լինել շինանյութերի հետ: DCS-ի կազմը նկարագրելու համար սովորաբար օգտագործվում է «քիմիական հավաքածու» տերմինը, որը բաղկացած է երկու կամ ավելի գրադարանային բաղադրիչներից, շինանյութերից կամ ռեակտիվներից: Դինամիկ կոմբինատոր գրադարանից ընտրվում են «շինարարական» բլոկներ, որոնք հարմար են ինքնահավաքվող օբյեկտների ձևավորման համար, և ինքնահավաքումն իրականացվում է «կաղապարի» առկայության դեպքում:

DCS բաղադրիչները փոխազդում են թույլ ոչ կովալենտային կապերի ձևավորման միջոցով: Սկզբունքորեն, այս բաղադրիչներից հնարավոր է ստեղծել ցանկացած շրջելի հավաքներ: Քանի որ բաղադրիչների միջև բոլոր փոխազդեցությունները շրջելի են և հավասարակշռված, DCS-ն իր բնույթով դինամիկ է: Այսպիսով, DCS-ն կարողանում է հեշտությամբ արձագանքել արտաքին ազդեցության տարբեր գործոններին։ Մասնավորապես, որոշակի DCB ագրեգատների քանակը կարող է տարբեր լինել փոփոխվող թերմոդինամիկական պայմաններից և կախված համակարգում ավելացված «կաղապարի» բնույթից: Հավասարակշռության վիճակում, նախքան «կաղապարի» ավելացումը, DCS բաղադրիչները միմյանց հետ փոխազդելու բազմաթիվ հնարավորություններ ունեն թույլ ոչ կովալենտային կապերի միջոցով՝ տարբեր ագրեգատների ձևավորմամբ։ «Կաղապարը» DCS համակարգին ավելացնելուց հետո միջանկյալ նյութերի պարունակությունը վերաբաշխվում է: Արդյունքում, միայն այն ագրեգատների կամ հավաքույթների կոնցենտրացիան, որոնք լավագույնս համապատասխանում են «կաղապարին», կավելանա և կայուն կդառնա:

Որոշ միջանկյալ արտադրանքի կոնցենտրացիայի ավելացում կարող է առաջանալ միայն մնացած ռեակցիաների շրջելի տեղաշարժի արդյունքում այս արտադրանքի ձևավորման ուղղությամբ, եթե միայն դա թելադրված է հավասարակշռության պայմաններով (նվազագույն էներգիայի և ա. էնտրոպիայի առավելագույն չափը): Հետևաբար, համակարգը ձգտում է հավաքին ապահովել «կաղապարին» ամենակայուն կապերով, մինչդեռ անկայուն հավաքների կոնցենտրացիան նվազում է: Միևնույն ժամանակ, DCS բաղադրիչները կարող են ինքնաբերաբար փոխազդել միմյանց հետ՝ առաջացնելով տարբեր ձևերի և հատկությունների մեծ թվով տարբեր ագրեգատներ:

Կան բազմաթիվ գործոններ, որոնք ազդում են DCS-ի արդյունավետության վրա: Դրանք ներառում են.

1. DCS-ի բաղադրիչների և «կաղապարների» բնույթը:Կարևոր է, որ ընտրված բաղադրիչներն ունենան համապատասխան ֆունկցիոնալ խմբեր: Որքան մեծ է այս խմբերի բազմազանությունը բաղադրիչներում, այնքան մեծ է փոփոխականությունը, որին կարելի է հասնել համակարգերի մշակման ժամանակ (տես Նկար 6.17): Բացի այդ, այդ խմբերի հատկությունները պետք է համատեղելի լինեն «շաբլոնի» հատկությունների հետ։

• 2. Միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների տեսակները DCS-ում.Հաշվարկային քիմիայի միջոցով մոլեկուլային ագրեգատների առաջացման հնարավորությունը կանխատեսելու համար անհրաժեշտ է a priori իմանալ բաղադրիչների միջև միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների և բաղադրիչի «կաղապարի» հետ կապելու մեխանիզմի մասին: DCS-ում միջմոլեկուլային փոխազդեցությունները պետք է լինեն ոչ կովալենտ, ինչը հանգեցնում է DCS բաղադրիչների միջև տեղի ունեցող փոխակերպումների հետադարձելիությանը: Նման փոխազդեցությունները նպաստում են հավասարակշռության արագ հաստատմանը, որպեսզի փորձարկվեն մոլեկուլային ագրեգատների առաջացման բոլոր հնարավոր հնարավորությունները։
• 3. Թերմոդինամիկական պայմաններ.Բաղադրիչների, ձևանմուշների և ստացված մոլեկուլային ագրեգատների լուծելիությունը լուծիչում (DCB միջավայր) կարող է մեծապես կախված լինել հավասարակշռության թերմոդինամիկական պայմաններից: DCS-ի արդյունավետությունը բարձրացնելու համար միջավայրում բաղադրիչների լուծելիությունը չպետք է էականորեն տարբերվի «կաղապարի» լուծելիությունից։ Ջրային միջավայրում «կաղապարի» լուծելիության բացակայությունը խնդիր է հիմնականում այն ​​դեպքում, երբ սպիտակուցը որպես որակ օգտագործելով, նուկլեինաթթուները նույնպես կարող են նման խնդիր ստեղծել։ Չլուծվող մոլեկուլային ագրեգատի առաջացումը հավասարակշռությունը տեղափոխում է այս ագրեգատի ձևավորման ուղղությամբ՝ որպես ռեակցիայի արտադրանք։ DCS-ում ներկայացված ռեակցիաների պայմանները պետք է լինեն հնարավորինս մեղմ՝ փոխանակման և ճանաչման գործընթացներում անխուսափելի անհամատեղելիության հավանականությունը նվազագույնի հասցնելու համար:
• 4. Վերլուծության մեթոդներ. DCS-ում, որոշակի հանգամանքներում, պետք է հնարավոր լինի դադարեցնել ընթացող ռեակցիաները, որպեսզի հնարավոր լինի համակարգը դինամիկից տեղափոխել ստատիկ վիճակ: Ռեակցիաների դադարեցումը թույլ է տալիս համակարգը «անջատվել» սինթեզից «կաղապարի» ավելացումից և խաչաձև կապող ռեագենտի ձևավորումից հետո: Այս դեպքում համակարգը գալիս է հավասարակշռության վիճակի, և մոլեկուլային ագրեգատների բաշխումը անփոփոխ է պահվում՝ վերլուծության հնարավորության համար։

Երբեմն ինքնահավաքման գործընթացի պարզեցումը կարելի է հասնել ճանաչման փուլում վերլուծության միջոցով: Մոլեկուլային ճանաչումը հատուկ նույնականացում է մեկ մոլեկուլի փոխազդեցությամբ մյուսի հետ:

DCS մոլեկուլների ճանաչման առանձնահատկությունը տվյալ «կաղապարի» համար առավել հարմար ընկալիչի ընտրությունն է։ Սա նպաստում է էվոլյուցիոն մոտեցման մշակմանը` ձեռք բերելու և ընտրողաբար ընտրելու ամենահարմար ընկալիչները, որոնք նման են բնության էվոլյուցիոն զարգացմանը: Կենսամոլեկուլների համար բարձր կապակցված լիգանների ուղղորդված էվոլյուցիան կոմբինատորական քիմիայի վերջին ոլորտում, որը կոչվում է. դինամիկ փոփոխականություն,կարող է լայնորեն օգտագործվել ինքնահավաքման մեջ:

Մոլեկուլային ճանաչման գործընթացի երկու հիմնարար մոտեցում կա՝ ձևավորում և ձևավորում (տես նկ. 6.18):

Միացությունների գրադարանից ստեղծված մոլեկուլային ագրեգատը «ձևավորելիս» ձև է ստանում

Մոլեկուլային ճանաչման մեջ ձևավորման և ձևավորման նկարազարդում

«կաղապարով» սահմանափակված դատարկություն. «Կաղապարի» ներսում ազատ տարածությունը կատարում է կաղապարի և գրադարանի բաղադրիչների միացման և ագրեգատների ձևավորման գործառույթը։ «Ձևավորվելիս» տեղի է ունենում դինամիկ գրադարանային բաղադրիչների անմիջական կապ «կաղապարների» օգնությամբ։

Հսկայական թվով մոլեկուլներ օգտագործվում են ինքնահավաքման, ընկալիչների ձևավորման և մոլեկուլային ճանաչման համար։ Նման «ճանաչող» մոլեկուլները կարող են պարունակել թթվային կարբոքսիլ, պեպտիդ, ածխաջրածին և այլ խմբերի ճանաչման ընկալիչներ։

Մոլեկուլային ընկալիչները կոնցեպտուալ առումով վերմոլեկուլային քիմիայի ամենապարզ առարկաներն են, թեև դրանց կառուցվածքը ոչ մի դեպքում միշտ պարզ չէ: Նրանց գործառույթն է «գտնել» ցանկալի ենթաշերտը նմանատիպերի մեջ և ընտրողաբար, այսինքն՝ ընտրովի կապել այն: Մոլեկուլային ճանաչման ընտրողականությունը ձեռք է բերվում, եթե ընկալիչի և սուբստրատի փոխլրացման հետ մեկտեղ նրանց միջև կա ուժեղ ընդհանուր կապ, որն առաջանում է մի քանի կապող կենտրոնների բազմակի փոխազդեցության պատճառով: Նման փոխազդեցության համար անհրաժեշտ պայմանը ընկալիչի և սուբստրատի միջև շփման մեծ տարածքն է:

Առկա են հատուկ մեթոդներ և ռեակտիվներ ցիկլային, կոնտեյներային կամ գծային ինքնահավաքվող կառույցների (կամ բարդույթների) կառուցման համար՝ որպես ընկալիչներ և մոլեկուլների նույնականացման համար: Օրինակ, ցիկլային կառուցվածք կառուցելու ռազմավարությունը եռակի և լրացուցիչ ջրածնային կապերի օգտագործումն է մեկ մոլեկուլի դոնոր-դոնոր-ընդունող խմբի և մեկ այլ մոլեկուլի ընդունող-ընդունող-դոնոր խմբի միջև:

«Բեռնարկղային» վերմոլեկուլային քիմիայի տեխնիկան կարող է օգտագործվել նաև մակրոմոլեկուլներ նախագծելու համար, որոնք ենթակա են մոլեկուլային ճանաչման և հատուկ կապերի ձևավորման: Այս մեթոդներում նախագծված մոլեկուլի ներքին մակերեսը («հյուրընկալողը» կամ ընկալիչը) փոխազդում է «հյուրի» կամ լիգանդի մակերեսի հետ, և նրանց միջև ձևավորված թույլ կապերի էներգիան որոշում է հատուկ կապի ուժը և մոլեկուլների ճանաչման հնարավորությունը.

Բաղադրիչների ինքնահավաքման ավարտից հետո ստացված «հոսթն» ընդունում է անհատական ​​տարածական կոնֆորմացիա՝ հաճախ իր մեջ «հյուր» մոլեկուլի ամբողջական կամ մասնակի ընդգրկման դատարկությամբ կամ բացվածքով։ Թեև տեխնոլոգիայի զարգացման նկատմամբ վերահսկողությունը և ճանաչման առանձնահատկությունն այս մեթոդներում այնքան կարևոր չեն, որքան դինամիկ կոմբինատոր գրադարանում, շատ դեպքերում զարգացման մեջ ավելի քիչ սահմանափակումներ և դժվարություններ կան, քան դինամիկ կոմբինատոր գրադարանային համակարգերում:

IIIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIII11111 №111111IIIIIIIII №11111IIIIIIIIIIIIIIIIIII №111IIIIII1IIIII №111IIII1II^II.

Նկար 1. Ռենտգենյան բյուրեղագրության միջոցով վերծանված «border="0"> 144 մոլեկուլներից ինքնահավաքման արդյունքում ստացված բազմանիստ մոլեկուլային կառուցվածքը:

Ճապոնիայից մի խումբ քիմիկոսների հաջողվել է գերազանցել իրենց կողմից սահմանված մոլեկուլային երկրաչափական պատկերների ինքնահավաքման ռեկորդը։ Գիտնականները կարողացել են պայմաններն ու բաղադրիչներն այնպես ընտրել, որ լուծույթում տեղի է ունենում մոլեկուլային պոլիէդրոնի ինքնահավաքման ռեակցիա, որը նման է վիրուսային կապսիդներին (սպիտակուցային ծածկույթներին)։ Նոր ռեկորդակիրը բաղկացած էր 144 մոլեկուլից։ Այս հայտնագործությունն ունի կիրառման հսկայական ներուժ, քանի որ ավելի փոքր կառույցները վաղուց օգտագործվել են կատալիզի, գերզգայունության սենսորների, էներգիայի պահպանման, պայթուցիկների կայունացման և այլնի համար:

Եթե ​​փիլիսոփայորեն նայեք փորձարարական քիմիային, ապա այն, ըստ էության, ինքնակազմակերպում է: Քիմիկոսը միայն որոշ ռեագենտներ է ավելացնում մյուսներին, և դրանք ինքնուրույն փոխազդում են լուծույթի մեջ. որպես կանոն, դիֆուզիայից և էլեկտրաստատիկից բացի այլ բան չի մղում նրանց դեպի միմյանց: Բյուրեղները աճում են նույն կերպ. մի մոլեկուլը «կպչում» է մյուսին՝ «ընտրելով» էներգետիկ առումով առավել բարենպաստ կոնֆորմացիան:

Սկզբունքորեն դա տեղի է ունենում կենդանի խցում: Մոլեկուլները, լողացող ցիտոպլազմայում, հավաքվում են կառուցվածքների, այնուհետև այդ կառույցները կատալիզացնում են այլ կառույցների ինքնահավաքումը, ընդհուպ մինչև բազմաբջիջ օրգանիզմ։ Այս ամենը կարծես հսկա աշխատող գործարան լինի՝ առանց մեկ աշխատողի, վարպետի, տնօրենի կամ հավաքարարի։ Ամեն ինչ աշխատում է (կենսաքիմիական) օրենքների համաձայն՝ առանց որևէ մեկի գիտակցված հսկողության կամ վերահսկողության. սա էվոլյուցիայի, աստիճանական բարդացման, աշխատող համակարգերի գոյատևման և չաշխատող համակարգերի մահվան արդյունքն է:

Մոլեկուլների ինքնահավաքման օրենքների ուսումնասիրությունը սկսվեց բնական գործընթացները պատճենելու փորձերով: Այնուամենայնիվ, կենսաբանական օբյեկտներն այնպիսին են, որ երբեմն մարդկային ուղեղի համար դժվար է նույնիսկ պատկերացնել դրանց ձևը: Սա լուրջ խնդիր է կենսաքիմիական հետազոտությունների համար։ Այսպիսով, աստիճանաբար, 90-ականների սկզբին, միտք առաջացավ. իրականում ինչու՞ է անհրաժեշտ ուսումնասիրել միայն բնական ինքնահավաքումը: Հնարավո՞ր է մյուս կողմից մոտենալ։ Ընտրեք մոդելներ, որոնք ավելի հեշտ է ուսումնասիրել և փորձեք հասկանալ բնությունը դրանց հիման վրա: Այսինքն՝ սկզբում հավաքեք վառվող լապտերի տակ ցրված գիտելիքները, նոր միայն գնացեք դեպի հանգած լապտերները։ Դե, ինչ կարող է լինել ավելի պարզ, քան երկրաչափական ձևերը: Այս գաղափարը, ինչպես հաճախ է պատահում, ինքնուրույն ծագել է տարբեր գիտական ​​թիմերում՝ ԱՄՆ-ից Պիտեր Ստանգի (Պիտեր Ջ. Ստանգ) և ճապոնացի Մակոտո Ֆուջիտա (Makoto Fujita) խմբում։

Գրեթե անմիջապես պարզ դարձավ, որ չի կարելի կանգ առնել երկչափ կառույցների վրա և փորձել եռաչափ կառուցվածքներ հավաքել նմանատիպ ձևով՝ մոլեկուլային «վանդակներ» (վանդակներ); բրինձ. 3. Եռաչափ ֆիգուրներ ստանալու համար անհրաժեշտ են երեք և ավելի ակտիվ վերջավորություններ ունեցող դոնորներ և/կամ ընդունողներ:

Պարզվեց, որ ռեակցիաները որոշակիորեն անսպասելի և նույնիսկ հակասական հատկություն ունեին. եթե մի քանի տարբեր «կապույտ» մոլեկուլներ խառնեք «կարմիր» մոլեկուլների հետ, նրանք դեռ լուծումից «ընտրում են» նրանց, որոնք տալիս են ամենադասակարգված կառուցվածքները՝ չխառնվելով յուրաքանչյուրի հետ։ այլ. Այսպիսով, ըստ էության, իրականացվում է ոչ միայն ինքնահավաք, այլ նաև ինքնատեսակավորում (նկ. 4): Սա բացատրվում է նրանով, որ ամենից շատ պատվիրված կառույցները համակցված դուրս են եկել էներգետիկ առումով ամենանպաստավորը։

Առաջին հայացքից մոլեկուլային երկրաչափական ձևերի ինքնահավաքման հետազոտության դաշտը կարող է շատ նեղ թվալ՝ ներկայացնելով ոչ ավելի, քան ակադեմիական հետաքրքրություն: Իրոք, կան բավականաչափ այնպիսի ոլորտներ, որոնք մի օր օգտակար կլինեն (կամ ոչ), բայց քննարկվող դեպքում իրավիճակը բոլորովին այլ է։ Ե՛վ կառուցվածքները, և՛ դրանց ձեռքբերման եղանակները (ինչպես նաև հայտնաբերված օրինաչափությունները) շատ արագ գտան հսկայական քանակությամբ անմիջական և հեռավոր կիրառություններ։ Ինչպես և սպասվում էր, այս ուսումնասիրությունները հեշտացրել են հասկանալ, թե ինչպես է գործում կենսաբանական կառուցվածքների (օրինակ՝ վիրուսային կապսիդների) ինքնահավաքումը:

Ինքնակազմակերպման մեթոդները հիմք են հանդիսացել մետաղ-օրգանական կոորդինացիոն պոլիմերների (Մետաղ-օրգանական շրջանակներ, MOF) հետազոտությունների հսկայական դաշտի համար: Նման մեթոդներով ստացված կառուցվածքները օգտագործվում են որպես գերզգայուն սենսորներ, քանի որ որոշ նյութերի հետ փոխազդելիս նրանք փոխում են իրենց ֆիզիկական հատկությունները: Մոլեկուլային «բջիջների» օգնությամբ օրգանական ռեակցիաներն արագանում են՝ օգտագործելով ներքին խոռոչները՝ ռեակտիվները միմյանց մոտեցնելու համար (ինչպես դա անում են բնության մեջ ֆերմենտները)։ Նրանք նաև կայունացնում են պայթուցիկ կամ ինքնահրկիզվող նյութերը, օրինակ՝ սպիտակ ֆոսֆորը։ Թմրանյութերը մտցվում են որոշ տեսակի մոլեկուլային «բջիջների» մեջ և հասցվում թիրախային օրգաններին՝ շրջանցելով առողջներին։ Եվ սա ամբողջական ցանկ չէ։

Իհարկե, ակադեմիական հետազոտությունները նման օգտակար ոլորտում չեն դադարել: Մասնավորապես, ինքնահավաքման հետազոտողների կողմից տրված հետաքրքիր հարցերից մեկն այն է, թե որն է մոլեկուլների ամենամեծ թիվը, որոնք կարող են «ինքնակազմավորվել» պատվիրված կառուցվածքի մեջ՝ առանց որևէ արտաքին օգնության: Բնության մեջ հարյուրավոր բաղադրիչներ (օրինակ՝ նույն վիրուսային կապսիդները) կարող են նման հնարք կատարել։ Կկարողանա՞ն քիմիկոսները մրցել բնության հետ։

Նախավերջին ռեկորդը գրանցվել է Ֆուջիտայի խմբում. 2016 թվականի սկզբին, ուշադիր հաշվարկելով ցանկալի կառուցվածքի տոպոլոգիան և պլանավորելով մոլեկուլային «կոնստրուկտորական կտորների» երկրաչափությունը, նրանք կարողացան (ինքնուրույն) հավաքել Արքիմեդյան պինդ մարմինների դասին պատկանող կառուցվածքը 90 մասնիկներից՝ 30 քառավալենտ պալադիումի ընդունիչներ։ և 60 բիպիրիդինի դոնորներ (աջից երկրորդը՝ Նկար 5-ում):

Հարյուր բաղադրիչների պատնեշն այն ժամանակ դեռ հաղթահարված չէր, և ոմանք կարծում էին, որ այն անհաղթահարելի է։ Անտեսելով թերահավատների կանխատեսումները՝ նոր ուսումնասիրության մեջ գիտնականները շրջվեցին դեպի Արքիմեդյան 180 մասնիկներից բաղկացած հետևյալ պոլիէդրոնը.

Կատարելով համապատասխան հաշվարկներ՝ քիմիկոսները դրա համար սինթեզեցին մոլեկուլային շինարարական բլոկներ, կազմեցին բաղադրիչների լուծույթ՝ մեկ ընդունիչի և երկու դոնորի հարաբերակցությամբ և հետևեցին ռեակցիային՝ օգտագործելով NMR սպեկտրոսկոպիա: Երբ բոլոր նախնական ռեակտիվները արձագանքեցին, հնարավոր եղավ լուծույթից մեկուսացնել բյուրեղները և բնութագրել դրանց մոլեկուլային կառուցվածքը ռենտգենյան դիֆրակցիոն վերլուծությամբ: Ի զարմանս փորձարարների՝ նրանք բախվեցին սպասվածից հեռու կառուցվածք ունեցող բազմաեզրին (նկ. 6, ձախ):

Ճիշտ այնպես, ինչպես նախորդ ռեկորդակիրը, այն բաղկացած էր 30 ընդունողներից և 60 դոնորներից («ահա», - բացականչեցին թերահավատները), միայն այն չէր պատկանում Արքիմեդյան պոլիեդրային, այլ մոտ էր գործիչների մեկ այլ դասի ՝ Գոլդբերգի պոլիեդրային (տես Գոլդբերգի պոլիէդրոն) .

Գոլդբերգի պոլիեդրաները երկրաչափական պատկերներ են, որոնք հայտնաբերել է մաթեմատիկոս Մայքլ Գոլդբերգը 1937 թվականին։ Դասական Գոլդբերգի պոլիեդրաները բաղկացած են հնգանկյուններից և վեցանկյուններից, որոնք միմյանց հետ կապված են որոշակի կանոնների համաձայն (ի դեպ, ֆուտբոլի գնդակի տեսքով շատերին ծանոթ կտրված իկոսաեդրոնը Գոլդբերգի պոլիէդրոնի օրինակ է): Չնայած այն հանգամանքին, որ քննարկվող աշխատանքում պոլիեդրները կազմված են եռանկյուններից և քառակուսիներից, դրանք կապված են Գոլդբերգի պոլիեդրների հետ, ինչը ապացուցված է գրաֆիկների տեսության միջոցով։

Գիտնականները լրացուցիչ հաշվարկներ են կատարել, որոնցից հետևել է, որ այս կառուցվածքը մետակայուն է, և որ կա 48 ընդունողներից և 96 դոնորներից բաղկացած էներգետիկ առումով ավելի կայուն պոլիէդրոն, որը կարելի է ստանալ նույն սկզբնական մոլեկուլներից։ Մնում էր «միայն» գտնել հարմար պայմաններ դրա արտադրության, մեկուսացման և բնութագրման համար։ Բազմաթիվ փորձերից հետո, տարբեր ջերմաստիճաններում և տարբեր լուծիչներ օգտագործելով, ստացվեցին բյուրեղներ, որոնք մանրադիտակի տակ տեսողականորեն տարբերվում էին նախորդներից։ Նրանք ընտրվել են պինցետներով նախկինում բնութագրվածներից, և ռենտգենյան դիֆրակցիոն անալիզը հաստատել է, որ 144 մոլեկուլից բաղկացած նոր չեմպիոն է ստացվել ինքնահավաքման միջոցով (նկ. 6, աջ):

Հաշվի առնելով ավելի փոքր անալոգների համար հավելվածների հաջող որոնումների պատմությունը՝ հեղինակները հույս ունեն, որ նոր հայտնաբերված մոլեկուլները, ինչպես նաև դրանց համար մշակված մեթոդները հետաքրքիր կիրառումներ կգտնեն: Նրանք չեն պատրաստվում դրանով կանգ առնել և մտադիր են էլ ավելի մեծ կառուցվածքներ ստանալ ավելի շատ բաղադրիչներից։

Աղբյուրներ:
1) Rajesh Chakrabarty, Partha S. Mukherjee, Peter J. Stang. Գերմոլեկուլային կոորդինացիա. վերջավոր երկչափ և եռաչափ անսամբլների ինքնահավաքում // Քիմիական ակնարկներ. 2011. V. 111, P. 6810–6918: DOI՝ 10.1021/cr200077m:
2) Դայշի Ֆուջիտա, Յոշիհիրո Ուեդա, Սոտա Սատո, Նոբուհիրո Միզունո, Տակաշի Կումասակա, Մակոտո Ֆուջիտա: Ինքնահավաք տետրավալենտ Գոլդբերգի բազմանիստ 144 փոքր բաղադրիչներից // Բնություն. 2016. V. 510, P. 563–567: DOI՝ 10.1038/nature20771:

Գրիգորի Մոլև

Նանոմասնիկ 100 մկմ-ից փոքր մասնիկ է։ Մանրացման ժամանակակից միտումը ցույց է տվել, որ նյութը կարող է ունենալ բոլորովին նոր հատկություններ, եթե վերցնենք այս նյութի շատ փոքր մասնիկը: 1-ից 100 նանոմետր չափերով մասնիկները սովորաբար կոչվում են «նանոմասնիկներ»: Օրինակ, պարզվեց, որ որոշ նյութերի նանոմասնիկներն ունեն շատ լավ կատալիտիկ և կլանման հատկություններ։ Այլ նյութեր ցույց են տալիս զարմանալի օպտիկական հատկություններ, ինչպիսիք են օրգանական նյութերի գերբարակ թաղանթները, որոնք օգտագործվում են արևային մարտկոցներ պատրաստելու համար: Նման մարտկոցները, թեև ունեն համեմատաբար ցածր քվանտային արդյունավետություն, ավելի էժան են և կարող են լինել մեխանիկորեն ճկուն։ Հնարավոր է հասնել արհեստական ​​նանոմասնիկների փոխազդեցությանը բնական նանո չափի առարկաների հետ՝ սպիտակուցներ, նուկլեինաթթուներ և այլն: Զգուշորեն մաքրված նանոմասնիկները կարող են ինքնահաստատվել որոշակի կառուցվածքների մեջ: Նման կառուցվածքը պարունակում է խիստ պատվիրված նանոմասնիկներ և նաև հաճախ արտասովոր հատկություններ է ցուցադրում: Նանոօբյեկտները բաժանված են 3 հիմնական դասի.հաղորդիչների պայթյունից ստացված եռաչափ մասնիկներ, պլազմայի սինթեզ; երկչափ օբյեկտներ - մոլեկուլային նստվածքով, CVD, ALD, իոնային նստվածքով ստացված թաղանթներ; միաչափ առարկաներ՝ բեղեր (այս առարկաները ստացվում են մոլեկուլային շերտավորմամբ, նյութերի ներմուծմամբ գլանաձև միկրոծակոտիներ): Այս պահին լայն կիրառություն է գտել միայն միկրոլիտոգրաֆիայի մեթոդը, որը հնարավորություն է տալիս ստանալ հարթ կղզու առարկաներ՝ 50 նմ կամ ավելի մատրիցների մակերեսին, այն օգտագործվում է էլեկտրոնիկայի մեջ. CVD և ALD մեթոդը հիմնականում օգտագործվում է միկրոն ֆիլմեր ստեղծելու համար: Այլ մեթոդներ հիմնականում օգտագործվում են գիտական ​​նպատակներով։ Մասնավորապես, պետք է նշել իոնային և մոլեկուլային նստեցման մեթոդները, քանի որ դրանք կարող են օգտագործվել իրական միաշերտեր ստեղծելու համար: Նանոտեխնոլոգիա- հիմնարար և կիրառական գիտության և տեխնոլոգիայի միջդիսցիպլինար ոլորտ, որն առնչվում է տեսական հիմնավորման, հետազոտության, վերլուծության և սինթեզի գործնական մեթոդների, ինչպես նաև տվյալ ատոմային կառուցվածքով արտադրանքի արտադրության և օգտագործման մեթոդների համակցմանը` անհատների վերահսկվող մանիպուլյացիայի միջոցով: ատոմներ և մոլեկուլներ . Նանոնյութեր- նյութեր, որոնք մշակվել են նանոմասնիկների հիման վրա, եզակի բնութագրերով, որոնք բխում են դրանց բաղադրամասերի մանրադիտակային չափերից: Ածխածնային նանոխողովակները մեկից մինչև մի քանի տասնյակ նանոմետր տրամագծով և մինչև մի քանի սանտիմետր երկարությամբ երկարաձգված գլանաձև կառուցվածքներ են, որոնք բաղկացած են մեկ կամ մի քանի վեցանկյուն գրաֆիտի հարթություններից, որոնք գլորվել են խողովակի մեջ և սովորաբար ավարտվում են կիսագնդաձև գլխով: Ֆուլերենները մոլեկուլային միացություններ են, որոնք պատկանում են ածխածնի ալոտրոպ ձևերի դասին։ Գրաֆենը ածխածնի ատոմների միաշերտ է, որը ստացվել է 2004 թվականի հոկտեմբերին Մանչեսթերի համալսարանում։ Գրաֆենը կարող է օգտագործվել որպես մոլեկուլային դետեկտոր: Նանոլիտոգրաֆիանանոմետրային չափսերով սարքեր ստեղծելու ամենակարեւոր մեթոդը։ Այս մեթոդը կարող է օգտագործվել էլեկտրոնային սխեմաների, բարձր հզորության հիշողության սխեմաների, սենսորների ստեղծման համար: Նանոբժշկություն- հետևել, ամրացնել, նախագծել և վերահսկել մարդու կենսաբանական համակարգերը մոլեկուլային մակարդակում՝ օգտագործելով նանո սարքեր և նանոկառուցվածքներ: Նանոբիոէլեկտրոնիկա) - էլեկտրոնիկայի և նանոտեխնոլոգիայի բաժին, որն օգտագործում է կենսանյութերը և համակարգչային տեխնիկայում կենսաբանական օբյեկտների կողմից տեղեկատվության մշակման սկզբունքները՝ էլեկտրոնային սարքեր ստեղծելու համար։ Մոլեկուլային ինքնահավաքում- ԴՆԹ-ի կամայական հաջորդականությունների ստեղծում, որոնք կարող են օգտագործվել անհրաժեշտ սպիտակուցներ կամ ամինաթթուներ ստեղծելու համար:

) — պատվիրված վերմոլեկուլային կառուցվածքի կամ միջավայրի ձևավորման գործընթաց, որում գրեթե անփոփոխ ձևով մասնակցում են միայն սկզբնական կառուցվածքի բաղադրիչները (տարրերը), որոնք հավելյալ ձևով կազմում կամ «հավաքում են», որպես ամբողջության մասեր, ստացված բարդ կառուցվածքը:

Նկարագրություն

Ինքնահամախմբումը նանոկառուցվածքների (նաննյութերի) ստացման ներքևից վերև տիպիկ մեթոդներից է: Հիմնական խնդիրը, որը կանգնած է դրա իրականացման մեջ, համակարգի պարամետրերի վրա այնպես ազդելու անհրաժեշտությունն է և առանձին մասնիկների հատկությունները այնպես սահմանել, որ դրանք կազմակերպվեն ցանկալի կառուցվածքի ձևավորմամբ: Ինքնահավաքումը շատ գործընթացների հիմքում է, որտեղ մեծ առարկաներ հավաքելու «ցուցումները» «կոդավորված» են առանձին մոլեկուլների կառուցվածքային առանձնահատկություններում: Ինքնահավաքումը պետք է տարբերվի ինքնահավաքումից, որը կարող է օգտագործվել որպես բարդ «օրինաչափություններ», գործընթացներ և կառուցվածքներ ստեղծելու մեխանիզմ ավելի բարձր կազմակերպման հիերարխիկ մակարդակում, քան սկզբնական համակարգում նկատվածը (տես նկարը): Տարբերությունները ցածր մակարդակներում բաղադրիչների բազմաթիվ և բազմատեսակ փոխազդեցությունների մեջ են, որոնցում կան փոխազդեցության իրենց սեփական, տեղական օրենքները, որոնք տարբերվում են բուն պատվիրման համակարգի վարքագծի կոլեկտիվ օրենքներից: Ինքնակազմակերպման գործընթացները բնութագրվում են տարբեր մասշտաբների փոխազդեցության էներգիաներով, ինչպես նաև համակարգի ազատության աստիճանների սահմանափակումների առկայությամբ նրա կազմակերպության մի քանի տարբեր մակարդակներում: Այսպիսով, ինքնահավաքման գործընթացն ավելի պարզ երեւույթ է։ Այնուամենայնիվ, չպետք է ծայրահեղությունների մեջ ընկնել և ենթադրել, որ, օրինակ, միաբյուրեղների աճի գործընթացը ատոմների ինքնահավաքումն է (որը, սկզբունքորեն, համապատասխանում է սահմանմանը), թեև, օրինակ, ինքնահավաքումը. ավելի մեծ առարկաներ՝ նույն չափի միկրոսֆերաները, որոնք ձևավորում են ամենախիտ գնդաձև փաթեթավորումը, ինչը հանգեցնում է այսպես կոչված (միկոլորտների եռաչափ դիֆրակցիոն ցանցի) ձևավորմանը, ինքնահավաքման տիպիկ օրինակ է։ Ինքնահավաքումը կարող է ներառել ձևավորում (օրինակ՝ թիոլի մոլեկուլներ հարթ ոսկե թաղանթի վրա), թաղանթների ձևավորում և այլն։

Նկարազարդումներ

Հեղինակ

• Գուդիլին Եվգենի Ալեքսեևիչ

Աղբյուրներ

1. Նանոսինթեզի փիլիսոփայություն // Նանոմետր, 2007. - www.nanometer.ru/2007/12/15/samosborka_5415.html (մուտքի ամսաթիվ՝ 13/10/2009):
2. Ինքնահավաք // Վիքիպեդիա, ազատ հանրագիտարան։ - http://en.wikipedia.org/wiki/Self-assembly (մուտք՝ 07/31/2010):