Si program arsimor Unë citoj materialin e N.V. Rebrov, një student i Universitetit Teknik Kombëtar të Donetsk, i cili, nga rruga, aktualisht po qëllohet nga "Garda Kombëtare" e Ukrainës nga armë të rënda në drejtim të Kievit hebre:
VETËMONTIMI NË NANOTEKNOLOGJI
Ndër qasjet e ndryshme premtuese për formimin e nanostrukturave, nanoteknologjitë që përdorin vetëorganizimin po bëhen gjithnjë e më të rëndësishme. Supozohet se vetëorganizimi do të bëjë të mundur krijimin e nanostrukturave nga atomet individuale si një teknologji "nga poshtë-lart". Vetë-montimi molekular, në kontrast me qasjen "nga lart-poshtë" të nanoteknologjisë, siç është litografia, ku nanostruktura e dëshiruar del nga një paraformë më e madhe, është një komponent i rëndësishëm i qasjes "nga poshtë-lart", ku nanostruktura e dëshiruar është rezultat i një programimi të veçantë të formës dhe grupeve funksionale të molekulave.
Çfarë nanostrukturash mund të ndërtohen duke përdorur këto teknologji? Po flasim për materiale të ndryshme, pasi këto teknologji ju lejojnë të krijoni pajisje, duke i formuar ato nga atomet dhe molekulat, duke përdorur procese vetëorganizimi në mënyrën që i përdor natyra. Në natyrë, sisteme të tilla ekzistojnë vërtet dhe procese të ngjashme kryhen. Shembulli më i mrekullueshëm është montimi i objekteve më komplekse biologjike bazuar në informacionin e regjistruar në ADN (shih Fig. 1).
Figura 1 - Një shembull i vetë-montimit të një strukture biologjike
Siç ishte më parë? Ne morëm, të themi, një copë hekuri dhe bëmë një çekiç prej saj, thjesht duke hequr gjithçka të tepërt (teknologji nga lart-poshtë). Nanoteknologjia, në të ardhmen e afërt, do të bëjë të mundur prodhimin e produkteve nga materialet nga e para, dhe jo gjithmonë do të jetë e nevojshme të shtojmë atom në atom "me dorë", do të mund të përdorim fenomenin e vetëorganizimit, vetë-organizimit. montimi i nanostrukturave dhe nanopajisjeve. Në të njëjtën kohë, është mjaft e vështirë të pritet që në nan nivel është e mundur të manipulohen artificialisht nanoobjektet individuale në mënyrë që të montohet "me dorë" materiali. Kjo nuk është ende praktike (ngadalë dhe kërkon shumë punë). Prandaj, një mënyrë e natyrshme për të marrë nanomateriale mund të jetë vetëorganizimi.
vetë-montim(Anglisht vetë-montim) është një term për të përshkruar proceset si rezultat i të cilave sistemet e paorganizuara, për shkak të ndërveprimit specifik, lokal të komponentëve të sistemit, vijnë në një gjendje të rregulluar.
Vetë-montimi mund të jetë statik dhe dinamik. Në rastin e vetë-montimit statik, sistemi organizues i afrohet gjendjes së ekuilibrit, duke reduktuar energjinë e tij të lirë. Në rastin e vetë-montimit dinamik, është më e saktë të përdoret termi vetëorganizim.
Vetë-organizimi në terma klasikë mund të përshkruhet si organizimi spontan dhe i kthyeshëm i njësive molekulare në një strukturë të renditur përmes ndërveprimeve jokovalente. Spontaniteti do të thotë që ndërveprimet përgjegjëse për formimin e një sistemi të vetë-montuar manifestohen në një shkallë lokale, me fjalë të tjera, nanostruktura ndërtohet vetë.
Në kushte të caktuara, vetë mikro- ose nano-objektet fillojnë të rreshtohen në formën e strukturave të renditura. Këtu nuk ka asnjë kontradiktë me ligjet themelore të natyrës - sistemi në këtë rast nuk është i izoluar dhe njëfarë ndikimi i jashtëm ushtrohet mbi nano-objektet. Sidoqoftë, ky veprim nuk i drejtohet një grimce specifike, siç ndodh në asamblenë "nga lart-poshtë", por për gjithçka menjëherë. Nuk keni nevojë të ndërtoni manualisht strukturën e kërkuar duke vendosur nano-objektet në pikat e kërkuara në hapësirë një nga një - kushtet e krijuara janë të tilla që nano-objektet e bëjnë vetë dhe në të njëjtën kohë. Proceset që përdorin krijimin e kushteve të tilla të veçanta quhen procese të vetë-montimit dhe madje edhe tani ato luajnë një rol vendimtar në shumë fusha të shkencës dhe teknologjisë.
Për komponentët që montohen vetë, gjithçka që kërkohet nga një person është të vendosë mjaft prej tyre në një provëz dhe t'i lejojë ata të montohen automatikisht në konfigurimet e dëshiruara sipas vetive të tyre natyrore.
Deri më sot, grupe të organizuara dydimensionale dhe tredimensionale të nanokristaleve Pt, Pd, Ag, Au, Fe, Co, Fe-Pt, lidhjeve Au-Ag, CdS/CdSe, CdSe/CdTe, Pt/Fe, Pd/Ni janë sintetizuar nanostruktura etj.. d. Përveç kësaj, për nanogrimcat anizotropike, ishte e mundur të arrihet formimi i vargjeve të renditura orientuese. Nanogrimcat me përmasa uniforme mund të "montohen" në struktura të renditura në hapësirë, të cilat janë "fije" njëdimensionale, shtresa dydimensionale të mbushura dendur, vargje tredimensionale ose grupime "të vogla". Lloji i organizimit të nanogrimcave dhe struktura e grupit që rezulton varet nga kushtet e sintezës, diametri i grimcave dhe natyra e veprimit të jashtëm në strukturë.
Sot, janë të njohura metoda të ndryshme të vetë-montimit që bëjnë të mundur marrjen e strukturave të dobishme të porositura nga mikrogrimcat. Për të krijuar kushte të veçanta në të cilat ndodh vetë-montimi në një sistem të caktuar, mund të përdoren fusha gravitacionale, elektrike ose magnetike, forcat kapilare, loja në lagueshmërinë-moslagjen e komponentëve të sistemit dhe teknika të tjera. Aktualisht, proceset e vetë-montimit kanë filluar të përdoren në mënyrë aktive në prodhim.
Thelbi i fenomenit të vetë-montimit
Në shkencën moderne ekziston një material i madh faktik i vëzhgimeve eksperimentale të fenomenit të vetë-montimit. Veçanërisht mbresëlënëse janë vëzhgimet e vetë-montimit të objekteve biologjike, në veçanti puna e Klug për montimin e viruseve bimore, të vlerësuar me Çmimin Nobel në 1982. Studimet eksperimentale të vetë-montimit janë kryesisht konstatuese në natyrë dhe ofrojnë njohuri të gjera se si ndodh kjo. Pyetja se pse kjo ndodh në këtë mënyrë dhe jo ndryshe është një sfidë për shkencën moderne natyrore.
Le të shqyrtojmë skenarin e montimit të virusit të bakteriofagut T4 të studiuar mirë, i cili përshkruhet në të gjitha tekstet shkollore dhe është një objekt klasik i studimit të vetë-montimit. Një version i thjeshtuar i skenarit është paraqitur në Fig. 2. Asambleja përfshin 54 lloje proteinash, të cilat grumbullohen në mënyrë rigoroze në një sekuencë të caktuar në nënagregate të niveleve të ndryshme, dhe më pas nënagregatet grumbullohen në një grimcë të plotë virale, e cila përfshin më shumë se një mijë molekula proteinash. Nuk ka kuptim të modelohet ky proces hierarkik i koordinuar mirë, i degëzuar me anë të paraqitjeve stokastike të molekulave që përplasen rastësisht.
Figura 2 - Skenari për montimin e bakteriofagut T4
Pa dyshim, procesi i montimit të virusit është përcaktues dhe i kontrollueshëm, dhe për të kuptuar plotësisht këtë proces, është e nevojshme të përcaktohen mjetet e përcaktimit dhe mekanizmave të kontrollit. Mendimi shkencor në gjysmën e dytë të shekullit të 20-të ishte i magjepsur nga krijimi i një kompjuteri dhe zbulimi i një sistemi kontrolli të sintezës së proteinave. Të dy sistemet janë ideologjikisht identike dhe mishërojnë parimin e kontrollit të përqendruar. Bartësi i kontrollit të përqendruar është një sistem shenjash - një gjuhë kontrolli imperativ linear. Është krejt e natyrshme që përpjekjet e para për modelimin matematikor të proceseve të vetë-montimit dhe vetë-riprodhimit u bënë brenda kornizës së teorisë së automateve, për shembull, von Neumann. Megjithatë, të dhënat e vëzhgimeve eksperimentale nuk konfirmojnë vlefshmërinë e modeleve të tilla. Proceset e vetë-montimit nuk përshtaten në skemën e kontrollit të grumbulluar.
Të dhënat eksperimentale na lejojnë të pohojmë se në procesin e vetë-montimit nuk ka asnjë element kontrolli dhe nuk gjendet asnjë sistem shenjash në asnjë formë që përshkruan sekuencën e akteve të montimit ose renditjen e rregullimit të elementeve në strukturën e produkteve të vetëmontimit. . Specifikimi i fenomenit të vetë-montimit qëndron në faktin se procesi është padyshim i përcaktuar, por mekanizmi i përcaktimit nuk përshtatet në një metodë të thjeshtë dhe të kuptueshme të kontrollit të përqendruar.
Vetë-montimi është një zbatim i metodës së kontrollit të shpërndarë, në të cilën funksionet e kontrollit zbatohen në strukturën e brendshme të elementeve të përfshirë në proces, dhe informacioni i kontrollit që përcakton procesin shpërndahet midis të gjithë elementëve. Rrjedhimisht, bartësi i përcaktimit në kontrollin e shpërndarë janë sistemet e shenjave specifike që janë thelbësisht të ndryshme nga gjuhët më të thjeshta lineare imperative, siç janë sistemet kompjuterike ose ADN-proteinike. Detyra kryesore e studimit të vetë-montimit është të përcaktojë logjikën e marrëdhënies së elementeve dhe kërkimin e sistemeve të shenjave, bartës të kontrollit të shpërndarë.
Konsideroni një skenar hipotetik të vetë-montimit që plotëson kërkesat e zbatimit të kontrollit të shpërndarë. Disa hapa të skriptit janë paraqitur në Fig.3.
Figura 3 - Skenari hipotetik i ndërveprimit të elementeve
Le të supozojmë se në montimin e strukturës më të thjeshtë, përfshihen një tub, molekula të dy llojeve, një sferë dhe një amforë. Ne marrim parasysh vetëm aspektin logjik të vetë-montimit dhe nuk përfshijmë ende bazën fiziko-kimike të ndërveprimit në përshkrim. Topi dhe amfora &mdash janë abstraksione të pajisura me aftësinë për disa aktivitete montazhi të supozuara. Abstraksioni "kyçja e kombinimit" futet në përbërjen e elementit. Akti i montimit është i mundur vetëm nëse kodet e kyçjes përputhen. Amfora dhe topi kanë bravë me kombinime të ndryshme K1 dhe K2, kështu që dy topa janë të lidhur në hapin e parë të montimit. Si rezultat, formohet një nën-njësi me një bllokim të ri të kombinimit K2. Më tej, një amforë me një bllokues kodi K2 është ankoruar në nën-agregate dhe formohet një nën-agregate "dhëmbë" me një bllokues kodi K3. Më tej, disqet ndërtohen nga dhëmbët si sektorë, dhe disqet mblidhen në një tub. Për të ndërtuar një skenar të tillë, është e nevojshme të postulohet një procedurë për një akt montimi elementar.
Ne e përkufizojmë aktin elementar të montimit si një procedurë që përbëhet nga katër hapa:
.aktivizimi i bllokimit të kodit;
.kërkimi dhe konvergjenca e dy elementeve me kodet e kyçjes që përputhen;
.aktivizimi i bravave
.çaktivizimi i aktivitetit të tyre, formimi i një bllokimi të ri kombinimi për të vazhduar procesin.
Kështu, në çdo hap të montimit, aktet e montimit përcaktohen nga gjendjet e blloqeve të kodit dhe ekzekutimi i aktit të montimit përfundon me gjenerimin e një kodi të ri dhe një bllokimi të ri.
Deri më sot, ekzistojnë mjete matematikore që mund të përshkruajnë aspektin logjik të proceseve të vetë-montimit. Sistemet e prodhimit të rrjedhës plotësojnë kërkesat për sistemet e shenjave që mbështesin kontrollin e shpërndarë dhe mund të veprojnë si përcaktues të procesit të vetë-montimit në nivelin logjik. Detyra tjetër e radhës është një punë e përbashkët me kimistë fizikë dhe biologë për ndërtimin e sistemeve të prodhimit të rrjedhës që simulojnë në nivel logjik skenarë realë të vetë-montimit të objekteve specifike. Kjo do të pasohet nga një kërkim për elementët e sistemeve të prodhimit të rrjedhës në strukturën fizike dhe kimike të elementeve të pjesëmarrësve të vetë-montimit. Gatishmëria më e madhe për programe të tilla është në fushën e kërkimit të viruseve bimore. .
Nëse dikush mendon se një student i Universitetit të Donetsk N.V. Rebrov ka shkruar budallallëqe këtu, citoj materialin që kam lexuar 20 vjet më parë dhe që kam cituar në librin tim "Gjeometria e jetës" .
Ekziston një vëzhgim shumë i rëndësishëm për "automontimin" e strukturave organike nga sovjetikët Akademiku V.A. Engelhardt(1894-1984).
Ja çfarë shkruan ai për këtë fenomen në artikull "Për disa atribute të jetës: hierarki, integrim, "njohje".(Artikulli u botua në koleksionin: "Filozofia, shkenca natyrore, moderniteti", Moskë, "Mendimi", 1981).
Fenomenet e "njohjes" dhe në të njëjtën kohë të integrimit në një formë veçanërisht të dallueshme, pothuajse të perceptueshme vizualisht (nëse i drejtoheni ndihmës së një mikroskopi elektronik) shprehen në proceset e të ashtuquajturit vetë-montim të strukturave supramolekulare. , të tilla si viruset dhe fagët, ribozomet ose grimcat enzimë me një strukturë komplekse. Një numër i madh procesesh të këtij lloji tashmë janë studiuar në detaje. Ato në thelb zbresin në faktin se nëse një objekt kompleks, shumëkomponent zbërthehet artificialisht në pjesët përbërëse të tij me një ose një tjetër metodë kursimi, izolohet nga njëra-tjetra dhe më pas përzihet në përmasa të përshtatshme dhe krijohen kushte të favorshme, atëherë ato do të ribashkohen spontanisht. në integritetin e tyre origjinal. Dobia e tij vërtetohet lehtësisht dhe me bindjen maksimale nga fakti se jo vetëm restaurohet struktura e tij origjinale morfologjike, por edhe vetitë e tij specifike biologjike, për shembull, aktiviteti katalitik në enzima, vetitë infektive në viruse, etj.
Siç e kuptoni ju të gjithë, miq, rrjedhën e proceseve të përshkruara "njohje" dhe vetë-montim strukturat molekulare në diçka "të tërë" dhe në të njëjtën kohë i gjallë, i animuar(!), nuk mund të përfaqësohet pa procese ndërveprimi i informacionit dhe energjisë i mikrokozmosit me makrokozmosin. Se si zhvillohet një proces i tillë i ndërveprimit informacion-energji midis makro- dhe mikrobotës u përshkrua mjaft qartë nga shkencëtari sovjetik, profesor Alexander Leonidovich Chizhevsky (1897-1964), krijuesi i shkencës së re - " Heliobiologji".
“Procesi i zhvillimit të botës organike nuk është një proces i pavarur, autokton, i pavarur, por është rezultat i veprimit të faktorëve tokësorë dhe kozmikë, nga të cilët këta të fundit janë më të rëndësishmit, pasi përcaktojnë gjendjen e mjedisi i tokës.Në çdo moment, bota organike është nën ndikimin e mjedisit kozmik dhe reflekton në mënyrë më të ndjeshme në vetvete, në funksionet e saj, ndryshimet ose luhatjet që ndodhin në mjedisin kozmik. Ne mund ta imagjinojmë lehtësisht këtë varësi nëse kujtojmë se edhe një ndryshim i vogël në temperaturën e Diellit tonë do të duhej të çonte në ndryshimet më përrallore, të pabesueshme në të gjithë botën organike. Dhe ka shumë faktorë të tillë të rëndësishëm si temperatura: mjedisi hapësinor na sjell qindra forca të ndryshme, vazhdimisht në ndryshim dhe luhatje herë pas here. Disa rrezatime elektromagnetike që vijnë nga Dielli dhe yjet mund të ndahen në një numër shumë të madh kategorish, që ndryshojnë nga njëra-tjetra në gjatësinë e valës, sasinë e energjisë, shkallën e përshkueshmërisë dhe shumë veti të tjera ... "
Më mbetet vetëm të shtoj: në të njëjtën mënyrë si lind në Natyrë sipas parimit "vetë-montim" viruse dhe fagë të ndryshëm, ashtu si parimi i "vetë-montimit" në oqean eter botëror, të cilën me të drejtë e konsideronin të urtët e lashtë djepi i jetës dhe mediumi i përhapjes së nxehtësisë dhe dritës, lindi e gjithë jeta në përgjithësi. Duke marrë në konsideratë këtë informacion, unë do të rekomandoja të merrni parasysh faktin se gjenerim spontan shfaqen forma komplekse të jetës në tokë herë pas here dhe këto procese evolucionare, me sa duket, shoqërohen me kataklizma të shkallës globale, për shembull, si ndryshimi i poleve të Tokës ose rënia e asteroidëve gjigantë në Tokë. Në natyrë, asgjë nuk ndodh rastësisht, gjithçka është e natyrshme, pra, çdo procesi global duhet të ketë lidhje me diçka tjetër. procesi global. Dhe kur diçka humbet në një shkallë planetare apo edhe kozmike, diçka tjetër ka lindur në të njëjtën kohë.
Vitet e fundit, koncepti i "vetë-organizimit" është përdorur gjerësisht për të përshkruar dhe shpjeguar fenomene të ngjashme në sistemet fizike, kimike, biologjike, madje edhe ekonomike dhe sociologjike. Duket se, në kundërshtim me ligjet termodinamike të pranuara përgjithësisht, në një sistem dinamik të shpërndarë të përbërë nga elementë të thjeshtë të natyrshëm në të, lind rendi - struktura komplekse, sjellje komplekse ose fenomene komplekse hapësirë-kohore. Në të njëjtën kohë, vetitë e strukturave në zhvillim janë thelbësisht të ndryshme nga vetitë e elementeve fillestare të sistemit. Dhe gjëja më e habitshme është se vetëorganizimi në sistem shfaqet spontanisht nga një gjendje homogjene.
Vetë-organizimi është një fenomen i formimit spontan të një strukture në sisteme që janë të ndryshme në natyrën e tyre fizike. Shfaqja spontane e një strukture nënkupton shfaqjen e një gjendjeje të renditur në një shpërndarje fillimisht të rastësishme të komponentëve të sistemit pa ndikim të jashtëm të dukshëm. Gjendjet e renditura në rastin e përgjithshëm mund të jenë një shpërndarje jo uniforme hapësinore e përbërësve materialë të sistemit që vazhdon në kohë; luhatjet e pazbutura në përqendrimet e komponentëve të sistemit kur ato luhaten ndërmjet dy ose më shumë vlerave; forma më komplekse të sjelljes kolektive të renditur të komponentëve. Formimi i një strukture është njësoj i natyrshëm si në pajisjet fizike si lazerët, ashtu edhe në mediat e reaksioneve kimike dhe indet biologjike, bashkësitë e organizmave të gjallë, proceset gjeologjike dhe meteorologjike dhe fenomenet sociale të shoqërisë njerëzore. Mekanizmat e vetëorganizimit rezultojnë të jenë të ndryshëm për sisteme me natyrë të ndryshme, por megjithatë, të gjithë kanë disa karakteristika të përbashkëta strukturore dhe dinamike.
Sistemet që janë të ndryshme në natyrë mund të korrespondojnë me nivele të ndryshme, shpesh thellësisht të ndryshme të kompleksitetit të vetë-organizimit. Ky kompleksitet përcaktohet nga natyra e sistemit vetë-organizues - kompleksiteti i strukturës dhe sjelljes së tij, mekanizmat dinamikë të ndërveprimit midis komponentëve. Kështu, sjellja shumë më komplekse e insekteve kolektive (bletët, termitet, milingonat) në krahasim me bakteret dhe viruset qëndron në themel të proceseve shumë më komplekse të vetëorganizimit të sjelljes në bashkësinë e insekteve kolektive. Në të njëjtën kohë, manifestimet specifike të proceseve të vetëorganizimit në nivele relativisht të thjeshta të kompleksitetit të tij mund të veprojnë si pjesë përbërëse e fenomeneve në një nivel më kompleks.
Shembuj të gjallë dhe të qëndrueshëm të vetë-organizimit janë gjetur midis sistemeve fizike. Koncepti i vetëorganizimit është përhapur edhe në dukuritë kimike, ku krahas tij përdoret gjerësisht edhe termi “vetëmontim”. Dhe në biologji, vetëorganizimi gjatë gjysmës së dytë të shekullit të 20-të u bë një koncept qendror në përshkrimin e dinamikës së sistemeve biologjike, nga proceset ndërqelizore deri te evolucioni i ekosistemeve. Pra, vetëorganizimi është një fenomen ndërdisiplinor dhe i përket fushës së dijes, e cila zakonisht quhet kibernetikë ose më ngushtë sinergji.
Çdo proces i veçantë i vetëorganizimit bazohet në një dualizëm. Nga njëra anë, vetëorganizimi i sistemit kryhet nga mekanizma specifikë fizikë, kimikë ose disa mekanizma të tjerë. Nga ana tjetër, në mënyrë që një sistem të jetë vetëorganizues, është e nevojshme të plotësohen kushtet kibernetike të përbashkëta për të gjitha sistemet vetëorganizuese - parimet e përgjithshme të vetëorganizimit.
- 1. Proceset e vetëorganizimit lindin në sistemet dinamike të shpërndara. Një sistem i shpërndarë duhet të jetë një koleksion i një numri të madh përbërësish individualë, elementë që përbëjnë sistemin. Këto mund të përfshijnë molekula individuale në sistemet e reaksioneve kimike të difuzionit, individë në një shkollë peshqish, individë në një turmë të mbledhur në një shesh. Këta komponentë duhet të ndërveprojnë me njëri-tjetrin, pra sistemi duhet të jetë dinamik, duke funksionuar në bazë të mekanizmave dinamikë.
- 2. Një tipar i rëndësishëm i proceseve të vetëorganizimit është se ato kryhen në sisteme të hapura. Në një sistem të mbyllur termodinamikisht, evolucioni në kohë çon në një gjendje ekuilibri me vlerën maksimale të entropisë së sistemit. Dhe, sipas Boltzmann, ky është shteti me shkallën maksimale të kaosit.
- 3. Reagimet pozitive dhe negative duhet të shfaqen në sistem. Proceset që ndodhin në një sistem dinamik priren të ndryshojnë marrëdhëniet fillestare midis komponentëve të sistemit të përfshirë në këto procese. Kjo mund të quhet me kusht ndryshime në daljen e sistemit. Në të njëjtën kohë, këta komponentë janë ato fillestare për proceset që ndodhin në sistem, ato janë edhe parametrat në hyrje të sistemit. Nëse ndryshimet në daljen e sistemit ndikojnë në parametrat e hyrjes në atë mënyrë që ndryshimet në dalje të përforcohen, kjo quhet reagime pozitive. Nën reagime negative nënkuptohet situata kur proceset dinamike në sistem mbajnë një gjendje dalëse konstante. Në rastin e përgjithshëm, sistemet dinamike me reagime pozitive dhe negative modelohen nga ekuacione diferenciale jolineare. Ky është një pasqyrim i natyrës jolineare të sistemeve të afta për t'u vetëorganizuar, e cila me sa duket është vetia kryesore e një sistemi që përcakton aftësinë e tij për t'u vetëorganizuar.
Koncepti i "vetë-montimit" ka një origjinë kimike. U prezantua në vitin 1987 nga kimisti francez J.-M. Len për të veçuar ndër dukuritë e shumta të vetëorganizimit proceset e formimit spontan të strukturës në sisteme që janë në gjendje ekuilibri termodinamik. Në të vërtetë, një numër i madh i proceseve të tilla të formimit të strukturës njihen në kushte ekuilibri, ose më mirë afër ekuilibrit. Midis tyre janë, për shembull, kalimet "spiral-spirale" në molekulat e polimerit, formimi i strukturave supramolekulare të molekulave amfifile (micele, liposome, dyshtresa) etj., deri në kristalizimin. Në thelb, termi "vetë-montim" përdoret në lidhje me sistemet molekulare. Megjithatë, proceset që lidhen me vetë-montimin u gjetën edhe në rastin e formacioneve të tjera me madhësi mikrometër.
vetë-montim quhet një proces në të cilin një tërësi (agregate) e renditur spontanisht formohet nga përbërës ose përbërës individualë të një përzierjeje për shkak të minimizimit të energjisë totale të tyre. Në natyrë, konformimi përfundimtar i një numri të madh makromolekulash (të tilla si proteinat, micelat, liposomet dhe koloidet) formohet nga vetë-montimi gjatë procesit të palosjes. Ka shumë shembuj të vetë-montimit natyror, që ndodhin spontanisht nën ndikimin e forcave natyrore. Vetë-montimet e tilla natyrore vërehen në të gjitha nivelet (nga molekulare në makromolekulare) dhe në sisteme të ndryshme të materies së gjallë.
Vetë-montimi në nanoteknologji mbulon një gamë të gjerë konceptesh dhe mënyrash për të komplikuar strukturën, nga rritja e kristaleve deri te krijimi i organizmave biologjikë të përsosur. Me ndihmën e mekanizmave natyrorë në vetë-montime të tilla, është e mundur të formohen dhe krijohen nanostruktura të ndryshme dhe sisteme dhe materiale më tej më të mëdha me vetitë e nevojshme fizike dhe kimike. Agregatët heterogjenë të zgjeruar duhet të jenë të përshtatshëm për kryerjen e funksioneve të ndryshme komplekse ose krijimin e formave të reja të materialeve me veti të pazakonta.
Zbatimi i vetë-montimit të drejtuar të nanostrukturave artificiale të kërkuara nga blloqet "ndërtuese" molekulare është detyra kryesore e nanoteknologjisë. Natyrisht, për ta zgjidhur atë, është e nevojshme të përdoren informacione për ndërveprimin ndërmolekular midis blloqeve "ndërtuese" molekulare, rregullimin hapësinor të nanostrukturave, rezultatet e modelimit molekular kompjuterik, si dhe të dhënat bionike. Me bionikë nënkuptohet prodhimi i objekteve artificiale bazuar në strukturat dhe funksionet e substancave biologjike që imitojnë sistemet natyrore.
Vetë-montimi është procesi (ose forca lëvizëse) kryesore që çoi nga lënda e pajetë në evolucionin e botës biologjike. Kuptimi, nxitja dhe drejtimi i vetë-montimit është çelësi për një kalim gradual drejt nanoteknologjisë nga poshtë-lart. Nëse i njihni parimet e vetë-montimit, mund të kuptoni rolin e forcave të ndryshme të ndërveprimit ndërmolekular që rregullojnë këtë vetë-montim. Për të nxitur procesin e vetë-montimit të kërkuar dhe për ta kontrolluar atë, është gjithashtu e nevojshme të jeni në gjendje të modeloni dhe parashikoni rrjedhën e procesit të vetë-montimit në kushte të ndryshme.
Suksesi i vetë-montimit përcaktohet nga pesë faktorë:
- 1. Prania e blloqeve "ndërtuese" molekulare. Me interes më të madh për nanoteknologjinë janë vetë-montimet e molekulave me përmasa të mëdha, në rangun nga 1 deri në 100 nm. Në të njëjtën kohë, sa më të mëdhenj dhe më të mirëstrukturuar të jenë blloqet fillestare "ndërtuese" molekulare, aq më i lartë është niveli i kontrollit teknik mbi pjesën tjetër të molekulave dhe ndërveprimet e tyre, gjë që lehtëson shumë procesin e vetë-montimit. Si kategoritë më universale dhe premtuese të blloqeve "ndërtuese" molekulare, diamondoidet mund të konsiderohen - hidrokarburet në të cilat atomet e karbonit formojnë një rrjetë hapësinore tetraedrale, saktësisht e njëjtë si në diamantin (adamantanet, diamantanet dhe triamatanet).
- 2. Ndërveprimet ndërmolekulare. Zakonisht, forcat që sigurojnë vetë-montim përcaktohen nga lidhje të dobëta ndërmolekulare jokovalente: lidhjet elektrostatike dhe hidrogjenore, van der Waals, ndërveprimet polare, hidrofobike dhe hidrofile. Përputhshmëria e pjesëve individuale dhe qëndrueshmëria e të gjithë kompleksit të vetë-montimit sigurohet nga një numër i madh ndërveprimesh të tilla të dobëta për konformimin e secilit vend molekular. Një shembull i një vetë-montimi të qëndrueshëm të ndërtuar me ndërveprime të dobëta është struktura e proteinave.
- 3. kthyeshmëria e procesit. Vetë-montimet ekzistuese si dhe ato të propozuara në nanoteknologji janë procese të kontrolluara, por spontane gjatë të cilave blloqet "ndërtuese" molekulare kombinohen në asambletë ose komplekset e kërkuara të renditura. Që një proces i tillë të jetë spontan, duhet të kryhet në mënyrë të kthyeshme.
- 4. Sigurimi i lëvizshmërisë së molekulave. Për shkak të natyrës dinamike të procesit të vetë-montimit, kërkohet një medium i lëngshëm për ta kryer atë. Mjedisi që mund të përdoret mund të përfshijë: lëngje, gaze, lëngje në gjendje superkritike, kufij ndërfazor ndërmjet kristaleve dhe lëngjeve nga faza e lëngshme etj. Në të gjitha këto raste, gjatë vetëmontimit, proceset e shkëmbimit dinamik duhet të ndodhin në drejtim të arritjes së sistemeve me vlerë minimale të energjisë.
- 5. Mjedisi i procesit. Vetë-montimi ndikohet ndjeshëm nga mjedisi. Agregati molekular që rezulton është një grup i renditur grimcash që kanë konformimin më të qëndrueshëm termodinamikisht. Vetë-montimi ndodh në media të lëngshme dhe të gazta (përfshirë mediat e dendura të lëngut superkritik me gaz), pranë ndërfaqes midis një kristali dhe një lëngu, ose në një ndërfaqe midis një gazi dhe një lëngu.
Në çdo fazë të montimit, të paktën një komponent duhet të shpërndahet lirshëm në tretës për të gjetur vendin e tij specifik, të dedikuar të lidhjes pas ekzaminimit të të gjitha pozicioneve dhe orientimeve të mundshme. Kjo kërkon që përbërësi të jetë i tretshëm, të ketë një sipërfaqe që është plotësuese me sipërfaqen e vendit të tij specifik të lidhjes dhe që të gjitha sipërfaqet e tjera të paraformës dhe përbërësit të jenë jo plotësuese për të parandaluar lidhjen e tyre të qëndrueshme. Këto parametra plotësojnë kërkesat funksionale: për formimin e strukturave komplekse duke përdorur vetë-montim, materialet dhe mjediset e punës në kushte natyrore janë më të përshtatshmet. Ky proces është përdorur me sukses në kiminë supramolekulare dhe gjithashtu përdoret gjerësisht për të kontrolluar kristalizimin molekular.
Merrni parasysh metodologjinë e vetë-montimit. Ekzistojnë dy lloje të tij, të cilat bazohen në dy procese që ndodhin, së pari, në ndërfaqen midis fazës së lëngshme dhe të ngurtë dhe, së dyti, brenda fazës fluide. Faza e lëngshme mund të merret si një gaz i lëngshëm, avull ose i dendur (në gjendje superkritike).
Ekzistojnë një sërë metodash laboratorike të vetë-montimit që përdorin një mjedis të lëngshëm si një mjedis të jashtëm për lidhjen e molekulave dhe një sipërfaqe të ngurtë si bazë për bërthamën dhe rritjen.
Fiksimi i molekulave si fara për montim në nënshtresa të ngurta të përdorura për vetë-montim mund të kryhet me formimin e lidhjeve kovalente ose jokovalente midis molekulës dhe sipërfaqes. E para shkakton fiksim të pakthyeshëm dhe, për rrjedhojë, të qëndrueshëm në të gjitha fazat e montimit. Fiksimi me ndihmën e kësaj të fundit është një proces i kthyeshëm, në fillim të të cilit është i paqëndrueshëm, por bëhet i qëndrueshëm me zhvillimin e duhur të procesit të vetëmontimit.
Lidhja kovalente më e përdorur për fiksim është lidhja sulfide-metal fisnik. Një shembull i tillë është lidhja kovalente midis molekulave që përmbajnë tiol (të tilla si zinxhirët alkanetiol ose proteinat që përmbajnë cistinë në strukturë) dhe arit. Lidhjet tipike jokovalente të përdorura për fiksim përfshijnë tre llojet e mëposhtme të lidhjes: 1) për shkak të energjisë së afinitetit për antitrupat; 2) për shkak të energjisë së afinitetit duke përdorur sistemin biotin-streptavidin dhe modifikimin e tij; 3) Kompleksimi me jone metalike fikse.
Vetë-montimi i një shtrese të vetme ka një rëndësi të madhe praktike. Sipas përkufizimit, një shtresë e vetme e montuar është një film dy-dimensional i trashë me një molekulë që formon lidhje kovalente me një sipërfaqe të fortë. Vetë-montimi i një shtrese është përdorur gjerësisht në nanoteknologji, duke përfshirë nanolithografinë, në modifikimin e vetive ngjitëse dhe karakteristikave të lagështimit të sipërfaqeve, në zhvillimin e sensorëve kimikë dhe biologjikë, shtresave izoluese në qarqet mikroelektronike dhe në prodhimin e nanopajisjeve, etj.
Metoda të ndryshme për marrjen e monoshtresave vetë-montuese (SCM) të proteinave:
Le të shqyrtojmë mënyra të ndryshme të vetë-montimit të një shtrese proteine (Fig. 6.14).
- 1. adsorbimi fizik. Kjo teknikë bazohet në përthithjen e proteinave në sipërfaqe të ngurta si elektroda e karbonit, oksidi i metalit ose oksidi i silikonit. Proteinat e absorbuara formojnë një shtresë të vetme të montuar vetë me proteina të orientuara rastësisht. Kontrolli i karakteristikave të orientimit mund të përmirësohet duke modifikuar proteinën dhe vetë sipërfaqen, siç tregohet në Fig. 6.14a.
- 2. Inkorporimi i polielektroliteve ose polimereve përçues, e cila mund të shërbejë si një matricë, sipërfaqja e së cilës kap, fikson dhe përthith proteinat. Ky proces është paraqitur në Fig. 6.146.
- 3. Përfshirja e zinxhirëve alkanetiol në një shtresë të vetme të montuar krijon një shtresë të vetme membranore në metalin fisnik, ndërsa proteinat mund të absorbohen fizikisht (a); përfshirja e proteinave në polielektrolite ose polimere përçuese (b); ndërthurur në SCM (c); bashkimi me CCM me një vendndodhje jo të orientuar ( G); lidhje me SMS me vendndodhjen e orientuar (b); lidhje direkte specifike për vendin në sipërfaqen e arit (e).
rregulluar pa ndonjë orientim të veçantë. Nëse përdoren zinxhirë me gjatësi të ndryshme (krijimi i gropave dhe gropave), atëherë kjo do të përcaktojë një topografi të caktuar të njështresës së vetë-montuar, e cila, nga ana tjetër, mund të orientojë proteinat (Fig. 6.14c).
- 4. Ngjitje jo e orientuar në një shtresë të vetme të montuar vetë. Në këtë rast, zinxhirët që formojnë një shtresë të vetme të montuar kanë grupe funksionale në skajet që reagojnë në mënyrë jo specifike me pjesë të ndryshme të proteinës. Për këtë arsye, orientimi i proteinave është i rastësishëm, siç tregohet në Fig. 6.14.
- 5. Ngjitje e orientuar në një shtresë të vetme të montuar vetë. Parimet e montimit janë të njëjta si në rastin e mëparshëm, por këtu grupi funksional ndërvepron në mënyrë specifike vetëm me një fushë ose seksion të caktuar të një domeni të caktuar, dhe, për këtë arsye, kryhet një orientim i përcaktuar mirë. Për këtë qëllim, struktura e proteinave mund të modifikohet kimikisht ose gjenetikisht. Kjo metodë e vetë-montimit është paraqitur në Fig. 6.14d.
- 6. Shtesa e drejtpërdrejtë selektive në arin. Kjo ndodh kur cistina, e cila ka veti unike, lidhet me sipërfaqen e arit. Në këtë rast, orientimi kontrollohet plotësisht. Ky lloj lidhjeje është paraqitur në Fig. 6.14e.
Vetë-montimi i drejtuar nga tendosja përdoret në prodhimin dhe lidhjen e telave dhe çelsave. Një sipërfaqe me një reliev të specifikuar litografikisht është e mbarsur me një substancë të depozituar të një përbërje të kontrolluar në kushte deformimi. Një grup funksional mund të futet në substrat, i cili zakonisht shoqërohet me funksionalitetin e sipërfaqes. Kjo metodë e vetë-montimit mund të përdoret, për shembull, në krijimin e pajisjeve gjysmëpërçuese, ku kërkohet fiksimi i përbërësve të sistemit në një nënshtresë të fortë në mënyrë që të kontrollohet plotësisht ecuria e procesit të vetë-montimit dhe përfundimi i tij.
Diagrami i montimit të drejtuar nga ADN
ADN-ja mund të përdoret si për fiksimin selektiv të nyjeve ashtu edhe si lidhës, duke rezultuar në një kornizë grilë për vetë-montimin e nanostrukturave. Sinteza e një konjugati të acidit nukleik dhe proteinës duke përdorur ndërveprime specifike midis dy vargjeve plotësuese të ADN-së, antigjenit dhe antitrupit, midis BIO dhe CTB mund të përcaktojë mekanizmat efektivë që përcaktojnë drejtimin e lidhjes së moduleve nanostrukturore (Fig. 6.15).
Përparimet e fundit në inxhinierinë gjenetike, në metodat e manipulimit të sekuencave të ADN-së të fiksuara në sipërfaqen e arit, si dopingu, rrisin më tej kontrollin mbi procesin e vetë-montimit. Një metodë e ngjashme mund të përdoret në rastin kur molekulat e substancave inorganike arrijnë madhësinë e nanokristaleve. ADN-ja mund të përdoret gjithashtu për sintezën që përfshin shabllone. Një shembull i një sinteze të tillë është fabrikimi i nanotelave të argjendit duke përdorur ADN-në si bazë.
Një mënyrë efektive për të zbuluar komponimet dhe vetë-montimet premtuese është aplikimi i arritjeve të kimisë dinamike kombinuese, e cila është një qasje evolucionare nga poshtë-lart ndaj nanoteknologjisë. Për të zhvilluar strukturën e kimisë kombinuese dinamike, është e nevojshme të mblidhet një bibliotekë dinamike kombinuese e komponentëve të ndërmjetëm që, kur shtohen shabllonet, formojnë asamblenë molekulare të kërkuar. Në kiminë dinamike kombinuese, një komponent i rëndësishëm është mekanizmi i njohjes molekulare. Një shtesë është njohja e veçorive të krijimit të komplekseve "guest-host".
Aktualisht, kimia kombinuese përdoret si një metodë e hulumtimit teorik në përcaktimin e bazës strukturore të funksionit të enzimave dhe identifikimin e frenuesve të rinj të enzimës. Besohet se me ndihmën e tij është e mundur që potencialisht të arrihen shpejt vetë-montimet e reja në nanoteknologji, si dhe zbulimi i barnave të reja, asambleve supramolekulare dhe katalizatorëve.
Ekzistojnë dy lloje të kimisë kombinuese: tradicionale dhe dinamike (Fig. 6.16). Dallimi kryesor midis të dyjave është se në kiminë dinamike blloqet e ndërtimit molekularë mbahen së bashku nga lidhje jo kovalente të dobëta por të kthyeshme, ndërsa në kiminë tradicionale kombinuese ndërveprimet drejtohen kryesisht nga lidhje kovalente të forta dhe të pakthyeshme.
Në kiminë kombinuese tradicionale, formohet një përzierje statike e agregateve të një përbërje fikse, dhe "shaboni" i futur (ligandi) zgjedh lidhësin më të mirë pa rritur përmbajtjen e tij. Në kiminë dinamike kombinuese, njeriu rrjedh nga një përzierje dinamike, në të cilën, pas shtimit të një "shaboni", përbërja dhe shpërndarja e përqendrimeve të bllokut ndryshon dhe lidhësi më i mirë në lidhje me "shabllonin" do të jetë produkti i vetëm mbizotërues. .
Në kiminë kombinuese, një "shabllon" (ose ligand) konsiderohet të jetë një molekulë, jon ose makromolekulë që reagon me përbërës të tjerë dhe ndryshon shpërndarjen e përqendrimeve të produkteve të sistemit gjatë reaksioneve që ndodhin vazhdimisht për të formuar agregatin e kërkuar. , makromolekulë ose produkt i ndërmjetëm. Një shembull i një "shaboni" është një molekulë e ADN-së që vepron si një model për sintezën e një makromolekule të tipit ARN.
Vetë-montimi në kiminë kombinuese dinamike mundëson qasje të reja ndaj montimit molekular. Vitet e fundit, shumë përmirësime interesante janë bërë në këtë fushë. Në veçanti, i ashtuquajturi docking molekular, një procedurë për kërkimin e vendeve optimale të lidhjes për molekulat e vogla të një ligandi (një substancë biologjikisht aktive) në një makromolekulë proteine, ka marrë zhvillim të madh.
Një bibliotekë kombinuese dinamike (DCL) është një grup substancash të ndërmjetme që mund të jenë në ekuilibër dinamik me blloqet ndërtuese. Për të përshkruar përbërjen e DCS, zakonisht përdoret termi "grup i kimisë", i cili përbëhet nga dy ose më shumë përbërës bibliotekë, blloqe ndërtimi ose reagentë. Blloqet "ndërtuese" me veti të përshtatshme për formimin e objekteve të vetë-montuar zgjidhen nga biblioteka dinamike kombinuese dhe vetë-montimi kryhet në prani të një "shaboni".
Komponentët DCS ndërveprojnë përmes formimit të lidhjeve të dobëta jokovalente. Në parim, është e mundur të krijohen ndonjë asamble të kthyeshme nga këta përbërës. Meqenëse të gjitha ndërveprimet ndërmjet komponentëve janë të kthyeshme dhe të ekuilibruar, DCS është dinamike në natyrë. Kështu, DCS është në gjendje t'i përgjigjet lehtësisht faktorëve të ndryshëm të ndikimit të jashtëm. Në veçanti, numri i disa agregateve DCB mund të ndryshojë me ndryshimin e kushteve termodinamike dhe në varësi të natyrës së "shabllonit" të shtuar në sistem. Në gjendjen e ekuilibrit, përpara shtimit të "shabllonit", përbërësit DCS kanë shumë mundësi për të bashkëvepruar me njëri-tjetrin përmes lidhjeve të dobëta jokovalente me formimin e agregateve të ndryshëm. Pas shtimit të "shabllonit" në sistemin DCS, përmbajtja e substancave të ndërmjetme rishpërndahet. Si rezultat, vetëm përqendrimi i atyre agregateve ose montimeve që përshtaten më mirë me "shabllonin" do të rritet dhe do të bëhet i qëndrueshëm.
Një rritje në përqendrimin e një produkti të caktuar të ndërmjetëm mund të ndodhë vetëm si rezultat i një zhvendosjeje të kthyeshme të reaksioneve të mbetura në drejtimin e formimit të këtij produkti, nëse vetëm kjo diktohet nga kushtet e ekuilibrit (arritja e një minimumi energjie dhe një maksimumi i entropisë). Për rrjedhojë, sistemi kërkon t'i sigurojë asamblesë lidhjet më të qëndrueshme me "shabllonin", ndërkohë që përqendrimi i montimeve të paqëndrueshme ulet. Në të njëjtën kohë, komponentët DCS mund të ndërveprojnë spontanisht me njëri-tjetrin, duke prodhuar një numër të madh agregatësh të ndryshëm me forma dhe veti të ndryshme.
Ka shumë faktorë që ndikojnë në efektivitetin e DCS. Kjo perfshin:
1. Natyra e komponentëve dhe "shablloneve" të DCS.Është thelbësore që komponentët e përzgjedhur të kenë grupe funksionale të përshtatshme. Sa më i madh të jetë diversiteti i këtyre grupeve në komponentë, aq më i madh është ndryshueshmëria që mund të arrihet në zhvillimin e sistemeve (shih Figurën 6.17). Përveç kësaj, vetitë e këtyre grupeve duhet të jenë në përputhje me vetitë e "shabllonit".
- 2. Llojet e ndërveprimeve ndërmolekulare në DCS. Për të qenë në gjendje të parashikohet mundësia e formimit të agregateve molekulare duke përdorur kiminë llogaritëse, është e nevojshme të dimë a priori për ndërveprimet ndërmolekulare midis komponentëve dhe mekanizmin e lidhjes së një komponenti me një "shabllon". Në DCS, ndërveprimet ndërmolekulare duhet të jenë jokovalente, gjë që çon në kthyeshmërinë e transformimeve që ndodhin midis komponentëve të DCS. Ndërveprime të tilla kontribuojnë në vendosjen e shpejtë të ekuilibrit, në mënyrë që të testohen të gjitha mundësitë e mundshme për formimin e agregateve molekulare.
- 3. Kushtet termodinamike. Tretshmëria e përbërësve, shablloneve dhe agregateve molekulare që rezultojnë në një tretës (medium DCB) mund të varet fuqishëm nga kushtet termodinamike të ekuilibrit. Për të rritur efikasitetin e DCS, tretshmëria e përbërësve në medium nuk duhet të ndryshojë ndjeshëm nga tretshmëria e "shabllonit". Në mjedisin ujor, mungesa e tretshmërisë së "shabllonit" është problem kryesisht kur përdoret një proteinë si cilësi e saj, edhe acidet nukleike mund të krijojnë një problem të ngjashëm. Formimi i një agregati molekular të patretshëm e zhvendos ekuilibrin në drejtim të formimit të këtij agregati si produkt reaksioni. Kushtet për reagimet e paraqitura në DCS duhet të jenë sa më të buta të jetë e mundur për të minimizuar mundësinë e papajtueshmërisë, të pashmangshme në proceset e shkëmbimit dhe njohjes.
- 4. Metodat e analizës. Në DCS, në rrethana të caktuara, duhet të jetë e mundur të ndërpriten reagimet e vazhdueshme në mënyrë që të mund të zhvendoset sistemi nga një gjendje dinamike në një gjendje statike. Përfundimi i reaksioneve lejon që sistemi të "shkëputet" nga sinteza pas shtimit të një "shaboni" dhe formimit të reagentit më të mirë të mundshëm ndërlidhës. Në këtë rast, sistemi vjen në një gjendje ekuilibri dhe shpërndarja e agregateve molekulare mbahet konstante për mundësinë e analizës.
Ndonjëherë një thjeshtim i procesit të vetë-montimit mund të arrihet duke analizuar në fazën e njohjes. Njohja molekulare është një identifikim specifik nga ndërveprimi i një molekule me një tjetër.
Një tipar i njohjes së molekulave DCS është zgjedhja e receptorit më të përshtatshëm për një "shabllon" të caktuar. Kjo kontribuon në zhvillimin e një qasjeje evolucionare për të marrë dhe përzgjedhur në mënyrë selektive receptorët më të përshtatshëm, të ngjashëm me zhvillimin evolucionar të natyrës. Evolucioni i drejtuar i ligandëve me afinitet të lartë për biomolekulat në një fushë të fundit të kimisë kombinuese të quajtur ndryshueshmëria dinamike, mund të përdoret gjerësisht në vetë-montim.
Ekzistojnë dy qasje themelore për procesin e njohjes molekulare: formësimi dhe formimi (shih Fig. 6.18).
Kur "formohet" agregati molekular i krijuar nga biblioteka e komponimeve merr formën
Ilustrim i formësimit dhe formësimit në njohjen molekulare
zbrazëti e kufizuar nga "shaboni". Hapësira e lirë brenda "shabllonit" kryen funksionin e një kallëpi dhe një vendi ku lidhen përbërësit e bibliotekës dhe formohen agregatet. Gjatë "formimit" ekziston një lidhje e drejtpërdrejtë e komponentëve dinamikë të bibliotekës me ndihmën e "shablloneve".
Një numër i madh molekulash përdoren për vetë-montim, formimin e receptorëve dhe njohjen molekulare. Molekula të tilla "njohëse" mund të përmbajnë receptorë për njohjen e karboksileve acidike, peptideve, karbohidrateve dhe grupeve të tjera.
Receptorët molekularë janë konceptualisht objektet më të thjeshta të kimisë supramolekulare, megjithëse struktura e tyre nuk është aspak gjithmonë e thjeshtë. Funksioni i tyre është të "gjenin" substratin e dëshiruar midis atyre të ngjashëm dhe në mënyrë selektive, d.m.th., ta lidhin atë në mënyrë selektive. Selektiviteti i njohjes molekulare arrihet nëse, së bashku me komplementaritetin e receptorit dhe substratit, ekziston një lidhje e fortë totale midis tyre, e cila lind për shkak të ndërveprimit të shumëfishtë të disa qendrave lidhëse. Një kusht i domosdoshëm për një ndërveprim të tillë është një zonë e madhe kontakti midis receptorit dhe substratit.
Janë të disponueshme metoda dhe reagentë të veçantë për ndërtimin e strukturave (ose komplekseve) ciklike, të kontejnerizuar ose lineare të vetë-montimit si receptorë dhe për identifikimin e molekulave. Për shembull, një strategji për ndërtimin e një strukture ciklike është përdorimi i lidhjeve të trefishta dhe plotësuese të hidrogjenit midis grupit dhurues-dhurues-pranues të një molekule dhe grupit pranues-pranues-dhurues të një molekule tjetër.
Teknikat e kimisë supramolekulare "enë" mund të përdoren gjithashtu për të dizajnuar makromolekulat që janë të ndjeshme ndaj njohjes molekulare dhe formimit të lidhjeve specifike. Në këto metoda, sipërfaqja e brendshme e molekulës së projektuar ("pritësi" ose receptori) ndërvepron me sipërfaqen e "mysafirit" ose ligandit, dhe energjia e lidhjeve të dobëta të formuara midis tyre përcakton forcën e lidhjes specifike dhe mundësia e njohjes së molekulave.
Pas përfundimit të vetë-montimit të përbërësve, "host" që rezulton merr një konformacion hapësinor individual, shpesh me një zbrazëti ose një boshllëk për përfshirjen e plotë ose të pjesshme të molekulës "mysafir" në të. Megjithëse kontrolli mbi zhvillimin e teknologjisë dhe specifika e njohjes në këto metoda nuk janë aq domethënëse sa në bibliotekën dinamike kombinuese, në shumë raste ka më pak kufizime dhe vështirësi në zhvillim sesa në sistemet e bibliotekës kombinuese dinamike.
IIIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIII11111 №111111IIIIIIIII №11111IIIIIIIIIIIIIIIIIII №111IIIIII1II^II
Figura 1. Struktura molekulare e një poliedri të marrë nga vetë-montimi nga 144 molekula "border="0"> të deshifruara nga kristalografia me rreze X
Një grup kimistësh nga Japonia arriti të thyejë rekordin e vetë-montimit të formave gjeometrike molekulare të vendosur prej tyre. Shkencëtarët ishin në gjendje të zgjidhnin kushtet dhe përbërësit në atë mënyrë që një reaksion vetë-montues i një poliedri molekular, i ngjashëm me kapsidet virale (veshjet proteinike), të ndodhte në tretësirë. Mbajtësi i ri i rekordeve përbëhej nga 144 molekula. Ky zbulim ka një potencial të madh aplikimi, pasi strukturat më të vogla janë përdorur prej kohësh për katalizë, sensorë të mbindjeshmërisë, ruajtjen e energjisë, stabilizimin e eksplozivëve dhe më shumë.
Nëse e shikoni kiminë eksperimentale filozofikisht, e gjitha është në thelb vetë-montim. Kimisti u shton vetëm disa reagentë të tjerëve dhe ata ndërveprojnë në tretësirë vetë: si rregull, asgjë përveç difuzionit dhe elektrostatikës nuk i shtyn ato drejt njëri-tjetrit. Kristalet rriten në të njëjtën mënyrë: një molekulë "ngjitet" me një tjetër, duke "zgjedhur" konformacionin më të favorshëm energjikisht.
Në parim, kjo ndodh në një qelizë të gjallë. Molekulat, që notojnë në citoplazmë, grumbullohen në struktura, pastaj këto struktura katalizojnë vetë-montimin e strukturave të tjera, deri në një organizëm shumëqelizor. E gjithë kjo duket si një fabrikë e madhe pune pa asnjë punëtor, kryepunëtor, drejtor apo pastrues. Gjithçka funksionon sipas ligjeve (bio)kimike pa mbikëqyrjen ose kontrollin e ndërgjegjshëm të askujt - ky është rezultat i evolucionit, ndërlikimit gradual, mbijetesës së sistemeve të punës dhe vdekjes së atyre që nuk punojnë.
Hulumtimi mbi ligjet e vetë-montimit të molekulave filloi me përpjekjet për të kopjuar proceset natyrore. Megjithatë, objektet biologjike janë të tilla që ndonjëherë është e vështirë për trurin e njeriut të imagjinojë edhe formën e tyre. Kjo paraqet një problem serioz për kërkimin biokimik. Pra, gradualisht, në fillim të viteve '90, lindi ideja: pse, në fakt, është e nevojshme të studiohet vetëm vetë-montimi natyror? A është e mundur të afrohesh nga ana tjetër? Zgjidhni modele që janë më të lehta për t'u hulumtuar dhe përpiquni të kuptoni natyrën bazuar në to. Kjo do të thotë, së pari mblidhni njohuritë e shpërndara nën fenerin e ndezur dhe vetëm atëherë shkoni te fenerët e fikur. Epo, çfarë mund të jetë më e thjeshtë se format gjeometrike? Kjo ide, siç ndodh shpesh, lindi në mënyrë të pavarur në ekipe të ndryshme shkencore - grupi i Peter Stang (Peter J. Stang) nga SHBA dhe grupi i Makoto Fujita (Makoto Fujita) nga Japonia.
Pothuajse menjëherë u bë e qartë se nuk mund të ndalemi në strukturat dy-dimensionale dhe të përpiqemi të mbledhim struktura tre-dimensionale në një mënyrë të ngjashme - "kafaze" molekulare (kafaze); oriz. 3. Për të marrë figura tredimensionale nevojiten dhurues dhe/ose pranues me tre ose më shumë mbaresa aktive.
Reagimet rezultuan se kishin një veti disi të papritur, madje edhe kundërintuitive: nëse përzieni disa molekula të ndryshme "blu" me "të kuqe", ato përsëri "zgjedhin" nga zgjidhja ato që japin strukturat më të renditura pa u përzier me secilën. tjera. Kështu, në fakt, kryhet jo vetëm vetë-montimi, por edhe vetë renditja (Fig. 4). Kjo shpjegohet me faktin se strukturat më të renditura në kombinim rezultuan të ishin më të favorshmet nga ana energjike.
Në pamje të parë, fusha e kërkimit mbi vetë-montimin e formave gjeometrike molekulare mund të duket shumë e ngushtë, duke përfaqësuar jo më shumë se interes akademik. Ka me të vërtetë mjaft fusha të tilla që një ditë do të jenë të dobishme (ose jo të dobishme), por në rastin në diskutim, situata është krejtësisht e ndryshme. Si strukturat ashtu edhe metodat e marrjes së tyre (si dhe rregullsitë e zbuluara) gjetën shumë shpejt një numër të madh aplikimesh të menjëhershme dhe të largëta. Siç pritej, këto studime e kanë bërë më të lehtë për të kuptuar se si funksionon vetë-montimi i strukturave biologjike (p.sh., kapsideve virale).
Metodat e vetë-montimit kanë formuar bazën e një fushe të madhe kërkimi mbi polimeret e koordinimit metal-organik (kornizat metal-organike, MOF). Strukturat e marra me metoda të tilla përdoren si sensorë mbindjeshmëri, pasi kur ndërveprojnë me substanca të caktuara, ato ndryshojnë vetitë e tyre fizike. Me ndihmën e "qelizave" molekulare reaksionet organike përshpejtohen, duke përdorur zgavrat e brendshme për të afruar reaktantët me njëri-tjetrin (siç bëjnë enzimat në natyrë). Ato gjithashtu stabilizojnë substanca shpërthyese ose vetëndezëse, siç është fosfori i bardhë. Drogat futen në disa lloje "qelizash" molekulare dhe sillen në organet e synuara, duke anashkaluar ato të shëndetshme. Dhe kjo nuk është një listë e plotë.
Sigurisht, kërkimi akademik në një fushë kaq të dobishme nuk ka të ndalur. Në veçanti, një nga pyetjet kurioze të bëra nga studiuesit e vetë-montimit është se cili është numri më i madh i molekulave që mund të "vetë-montohen" në një strukturë të renditur pa ndonjë ndihmë nga jashtë? Në natyrë, qindra përbërës (për shembull, të njëjtat kapside virale) mund të kryejnë një mashtrim të tillë. A do të jenë në gjendje kimistët të konkurrojnë me natyrën?
Rekordi i parafundit u vendos në grupin e Fujita-s. Në fillim të vitit 2016, duke llogaritur me kujdes topologjinë e strukturës së dëshiruar dhe duke planifikuar gjeometrinë e "pjesëve konstruktive" molekulare, ata ishin në gjendje të (vetë) montonin një strukturë që i përket klasës së trupave të ngurtë të Arkimedit nga 90 grimca: 30 pranues tetravalent të palladiumit. dhe 60 donatorë bipiridine (i dyti nga e djathta në Fig. 5).
Barriera e njëqind komponentëve nuk ishte kapërcyer ende në atë kohë dhe disa besonin se ishte e pakapërcyeshme. Duke injoruar parashikimet e skeptikëve, në studimin e ri, shkencëtarët u hodhën në poliedrin e mëposhtëm të Arkimedit, prej 180 grimcash: 60 pranues paladiumi dhe 120 dhurues piridine (struktura në të djathtën ekstreme në Fig. 5).
Pasi bënë llogaritjet e duhura, kimistët sintetizuan blloqe ndërtimi molekularë për të, bënë një zgjidhje të përbërësve në raportin e një pranuesi me dy dhurues dhe ndoqën reagimin duke përdorur spektroskopinë NMR. Kur të gjithë reagentët fillestarë reaguan, ishte e mundur të izoloheshin kristalet nga tretësira dhe të karakterizohej struktura e tyre molekulare me anë të analizës së difraksionit me rreze X. Për habinë e eksperimentuesve, ata u përballën me një poliedron me një strukturë larg asaj që pritej (Fig. 6, majtas).
Ashtu si mbajtësi i mëparshëm i rekordeve, ai përbëhej nga 30 pranues dhe 60 donatorë ("aha!" - bërtitën skeptikët), vetëm se nuk i përkiste poliedrit të Arkimedit, por ishte afër një klase tjetër figurash - poliedri Goldberg (shih poliedrin e Goldberg) .
Poliedrat e Goldberg janë figura gjeometrike të zbuluara nga matematikani Michael Goldberg në 1937. Poliedra klasike e Goldberg përbëhet nga pesëkëndësha dhe gjashtëkëndësha të lidhur me njëri-tjetrin sipas rregullave të caktuara (nga rruga, ikozaedri i cunguar, i njohur për shumë në formën e një topi futbolli, është një shembull i një poliedri Goldberg). Pavarësisht se në veprën në diskutim politopet përbëhen nga trekëndësha dhe katrorë, ato lidhen me poliedrën e Goldberg-ut, gjë që vërtetohet duke përdorur teorinë e grafikëve.
Shkencëtarët bënë llogaritje shtesë, nga të cilat dolën se kjo strukturë është metastabile dhe se ekziston një poliedron më i qëndrueshëm energjikisht i 48 pranuesve dhe 96 dhuruesve, të cilët mund të merren nga të njëjtat molekula fillestare. Mbeti “vetëm” gjetja e kushteve të përshtatshme për prodhimin, izolimin dhe karakterizimin e tij. Pas përpjekjeve të shumta, në temperatura të ndryshme dhe duke përdorur tretës të ndryshëm, u përftuan kristale, të cilat në mikroskop ndryshonin vizualisht nga ato të mëparshmet. Ata u zgjodhën me piskatore nga ato të karakterizuara më parë dhe analiza e difraksionit me rreze X konfirmoi se një kampion i ri i përbërë nga 144 molekula u përftua nga vetë-montimi (Fig. 6, djathtas).
Duke pasur parasysh historinë e kërkimeve të suksesshme për aplikacione për analoge më të vegjël, autorët shpresojnë se do të ketë aplikacione interesante për molekulat e zbuluara rishtazi, si dhe metodat që janë zhvilluar për to. Ata nuk do të ndalen me kaq dhe synojnë të marrin struktura edhe më të mëdha nga më shumë komponentë.
Burimet:
1) Rajesh Chakrabarty, Partha S. Mukherjee, Peter J. Stang. Koordinimi supramolekular: Vetë-montimi i ansambleve të fundme dy dhe tredimensionale // Shqyrtime kimike. 2011. V. 111, F. 6810–6918. DOI: 10.1021/cr200077m.
2) Daishi Fujita, Yoshihiro Ueda, Sota Sato, Nobuhiro Mizuno, Takashi Kumasaka, Makoto Fujita. Vetë-montimi tetra i valentit të Goldberg poliedral nga 144 përbërës të vegjël // Natyra. 2016. V. 510, F. 563–567. DOI: 10.1038/natyrë20771.
Grigory Molev
Nanogrimcaështë një grimcë më e vogël se 100 mikron. Tendenca moderne drejt miniaturizimit ka treguar se një substancë mund të ketë veti krejtësisht të reja nëse merret një grimcë shumë e vogël e kësaj substance. Grimcat që variojnë në madhësi nga 1 deri në 100 nanometra zakonisht quhen "nanogrimca". Për shembull, rezultoi se nanogrimcat e disa materialeve kanë veti shumë të mira katalitike dhe adsorbuese. Materialet e tjera tregojnë veti të mahnitshme optike, të tilla si filma ultra të hollë të materialeve organike të përdorura për prodhimin e qelizave diellore. Bateritë e tilla, megjithëse kanë një efikasitet kuantik relativisht të ulët, janë më të lira dhe mund të jenë mekanikisht fleksibël. Është e mundur të arrihet ndërveprimi i nanogrimcave artificiale me objekte natyrale me madhësi nano - proteina, acide nukleike, etj. Nanogrimcat e pastruara me kujdes mund të vetë-renditen në struktura të caktuara. Një strukturë e tillë përmban nanogrimca të renditura rreptësisht dhe gjithashtu shpesh shfaq veti të pazakonta. Nanoobjektet ndahen në 3 klasa kryesore: grimcat tredimensionale të marra nga shpërthimi i përcjellësve, sinteza e plazmës; objekte dydimensionale - filma të përftuar nga depozitimi molekular, CVD, ALD, depozitimi i joneve; objekte njëdimensionale - mustaqe (këto objekte përftohen me shtresim molekular, futjen e substancave në mikropore cilindrike) Për momentin është përdorur gjerësisht vetëm metoda e mikrolitografisë, e cila bën të mundur marrjen e objekteve të sheshta ishullore me madhësi prej 50 nm ose më shumë në sipërfaqen e matricave; përdoret në elektronikë; metoda CVD dhe ALD përdoret kryesisht për të krijuar filma mikron. Metoda të tjera përdoren kryesisht për qëllime shkencore. Në veçanti, duhet të theksohen metodat e depozitimit jonik dhe molekular, pasi ato mund të përdoren për të krijuar monoshtresa reale. Nanoteknologjia- një fushë ndërdisiplinore e shkencës dhe teknologjisë themelore dhe e aplikuar, që merret me një sërë arsyetimesh teorike, metoda praktike të kërkimit, analizës dhe sintezës, si dhe metodat për prodhimin dhe përdorimin e produkteve me një strukturë të caktuar atomike me anë të manipulimit të kontrolluar të individit. atomet dhe molekulat . Nanomaterialet- materiale të zhvilluara në bazë të nanogrimcave me karakteristika unike që dalin nga dimensionet mikroskopike të përbërësve të tyre. Nanotubat e karbonit janë struktura cilindrike të zgjatura me një diametër nga një deri në disa dhjetëra nanometra dhe një gjatësi deri në disa centimetra, të përbërë nga një ose më shumë plane grafiti gjashtëkëndor të mbështjellë në një tub dhe që zakonisht përfundojnë në një kokë hemisferike. Fullerenet janë komponime molekulare që i përkasin klasës së formave alotropike të karbonit. Grafeni është një shtresë e vetme e atomeve të karbonit e marrë në tetor 2004 në Universitetin e Mançesterit. Grafeni mund të përdoret si një detektor molekular. Nanolithografia metoda më e rëndësishme për krijimin e pajisjeve me përmasa nanometër. Kjo metodë mund të përdoret për të krijuar qarqe elektronike, qarqe memorie me kapacitet të lartë, sensorë. Nanomjekësi- gjurmimi, fiksimi, projektimi dhe kontrolli i sistemeve biologjike njerëzore në nivel molekular, duke përdorur nan pajisje dhe nanostruktura. Nanobioelektronika) është një seksion i elektronikës dhe nanoteknologjive që përdor biomaterialet dhe parimet e përpunimit të informacionit nga objektet biologjike në teknologjinë kompjuterike për të krijuar pajisje elektronike. Vetë-montimi molekular- Krijimi i sekuencave arbitrare të ADN-së që mund të përdoren për të krijuar proteinat ose aminoacidet e nevojshme.
) — procesi i formimit të një strukture ose mediumi të renditur mbimolekular, në të cilin vetëm përbërësit (elementët) e strukturës origjinale marrin pjesë në një formë pothuajse të pandryshuar, duke kompozuar ose "mbledhur", si pjesë të një tërësie, strukturën komplekse që rezulton.
Përshkrim
Vetë-montimi është një nga metodat tipike nga poshtë-lart për marrjen e nanostrukturave (nanomaterialeve). Detyra kryesore që qëndron në zbatimin e tij është nevoja për të ndikuar në parametrat e sistemit në një mënyrë të tillë dhe për të vendosur vetitë e grimcave individuale në atë mënyrë që ato të organizohen me formimin e strukturës së dëshiruar. Vetë-montimi është në zemër të shumë proceseve ku "udhëzimet" se si të montoni objekte të mëdha "kodohen" në tiparet strukturore të molekulave individuale. Vetë-montimi duhet të dallohet nga vetë-montimi, i cili mund të përdoret si një mekanizëm për krijimin e "modeleve", proceseve dhe strukturave komplekse në një nivel më të lartë hierarkik organizimi sesa ai i vërejtur në sistemin origjinal (shih figurën). Dallimet janë në ndërveprimet e shumta dhe të shumëllojshme të komponentëve në nivele të ulëta, në të cilat ekzistojnë ligjet e tyre, lokale, të ndërveprimit që janë të ndryshme nga ligjet kolektive të sjelljes së vetë sistemit të rendit. Proceset e vetëorganizimit karakterizohen nga energjitë e ndërveprimit të shkallëve të ndryshme, si dhe nga ekzistenca e kufizimeve në shkallët e lirisë së sistemit në disa nivele të ndryshme të organizimit të tij. Kështu, procesi i vetë-montimit është një fenomen më i thjeshtë. Sidoqoftë, nuk duhet të shkohet në ekstreme dhe të supozohet, për shembull, se procesi i rritjes së një kristalit është vetë-montimi i atomeve (i cili, në parim, korrespondon me përkufizimin), megjithëse, për shembull, vetë-montimi i objekte më të mëdha - mikrosfera me të njëjtën madhësi, duke formuar paketimin më të dendur sferik, i cili çon në formimin e të ashtuquajturit (grirja e difraksionit tre-dimensionale të mikrosferave), është një shembull tipik i vetë-montimit. Vetë-montimi mund të përfshijë formimin (për shembull, molekulat e tiolit në një film të lëmuar ari), formimin e filmave, etj.
Ilustrime
Autori
- Gudilin Evgeny Alekseevich
Burimet
- Filozofia e nanosintezës // Nanometer, 2007. - www.nanometer.ru/2007/12/15/samosborka_5415.html (data e hyrjes: 10/13/2009).
- Vetë-montim // Wikipedia, Enciklopedia e lirë. - http://en.wikipedia.org/wiki/Self-assembly (qasur më 07/31/2010).
