Som utbildningsprogram Jag citerar materialet från N.V. Rebrov, en student vid Donetsk National Technical University, som för övrigt för närvarande skjuts av Ukrainas "nationalgarde" med tunga vapen i riktning mot judiska Kiev:
SJÄLVMONTERING I NANOTEKNIK
Bland de olika lovande tillvägagångssätten för bildandet av nanostrukturer blir nanoteknik som använder självorganisering allt viktigare. Det antas att självorganisering kommer att göra det möjligt att skapa nanostrukturer från enskilda atomer som en bottom-up-teknik. Molekylär självmontering, i motsats till nanoteknikens uppifrån-och-ned-tillvägagångssätt, såsom litografi, där den önskade nanostrukturen framträder ur ett större arbetsstycke, är en viktig del av bottom-up-metoden, där den önskade nanostrukturen är resultatet av säreget programmering av molekylers form och funktionella grupper.
Vilka nanostrukturer kan byggas med hjälp av dessa tekniker? Vi talar om olika material, eftersom dessa teknologier låter dig skapa enheter, forma dem från atomer och molekyler, genom att använda processerna för självorganisering på det sätt som naturen använder dem. I naturen finns sådana system verkligen och liknande processer genomförs. Det mest slående exemplet är exemplet med sammansättning av de mest komplexa biologiska objekten baserat på information som registrerats i DNA (se fig. 1).
Figur 1 - Ett exempel på självmontering av en biologisk struktur
Som det var innan? Vi tog, säg, en bit järn och gjorde en hammare av den och tog helt enkelt bort alla onödiga saker (“top-down”-teknik). Inom en snar framtid kommer nanoteknik att göra det möjligt att göra produkter från material från grunden, och det kommer inte alltid att vara nödvändigt att vika en atom till en atom "manuellt", vi kommer att kunna använda fenomenet självorganisering, själv -montering av nanostrukturer och nanoenheter. Samtidigt är det ganska svårt att förvänta sig att det på nanoskala är möjligt att artificiellt manipulera enskilda nanoobjekt i syfte att "manuell" montering av materialet. Detta är inte praktiskt än (långsamt och kräver mycket arbete). Därför kan självorganisering vara ett naturligt sätt att få fram nanomaterial.
Självmontering(eng. self-assembly) är en term för att beskriva de processer som leder till att oorganiserade system, på grund av specifik, lokal interaktion mellan systemkomponenter, kommer till ett ordnat tillstånd.
Självmontering kan vara både statisk och dynamisk. I fallet med statisk självmontering närmar sig det organiserande systemet ett jämviktstillstånd, vilket minskar dess fria energi. När det gäller dynamisk självmontering är det mer korrekt att använda termen självorganisering.
Självorganisering i klassiska termer kan beskrivas som den spontana och reversibla organisationen av molekylära enheter till en ordnad struktur med hjälp av icke-kovalenta interaktioner. Spontanitet innebär att de interaktioner som är ansvariga för bildandet av ett självmonterat system manifesterar sig på lokal skala, med andra ord, nanostrukturen bygger sig själv.
Under vissa förutsättningar börjar mikro- eller nanoobjekt själva byggas upp i form av ordnade strukturer. Det finns ingen motsägelse med de grundläggande naturlagarna - systemet i detta fall är inte isolerat, och viss yttre påverkan utövas på nanoobjekten. Denna effekt är dock inte riktad mot en specifik partikel, som sker vid montering "från topp till botten", utan på en gång. Du behöver inte bygga den nödvändiga strukturen manuellt, placera nanoobjekt i de nödvändiga utrymmena efter varandra - de skapade förutsättningarna är sådana att nanoobjekten gör det själva och samtidigt. De processer som använder skapandet av sådana speciella förhållanden kallas självmonteringsprocesser, och redan nu spelar de en avgörande roll inom många områden av vetenskap och teknik.
För självmonterande komponenter är allt som krävs av en person att placera en tillräcklig mängd av dem i ett provrör och låta dem automatiskt monteras till önskade konfigurationer enligt deras naturliga egenskaper.
Hittills tvådimensionella och tredimensionella organiserade arrayer av Pt, Pd, Ag, Au, Fe, Con nanokristaller, Fe-Pt, Au-Ag legeringar, CdS / CdSe, CdSe / CdTe, Pt / Fe, Pd / Ni nanostrukturer har syntetiserats osv. Dessutom, för anisotropa nanopartiklar, var det möjligt att uppnå bildandet av orienterande ordnade arrayer. Nanopartiklar av enhetlig storlek kan "sättas ihop" till rumsligt ordnade strukturer, som är endimensionella "trådar", tvådimensionella tätt packade lager, tredimensionella arrayer eller "små" kluster. Typen av organisation av nanopartiklar och strukturen hos den resulterande matrisen beror på syntesförhållandena, partikeldiametern och arten av den externa effekten på strukturen.
Olika metoder för självmontering är kända idag som gör det möjligt att erhålla användbara ordnade strukturer från mikropartiklar. För att skapa speciella förhållanden under vilka självmontering sker i ett visst system, kan gravitations-, elektriska eller magnetiska fält, kapillärkrafter, som spelar på systemkomponenternas vätbarhet-icke-vätbarhet och andra tekniker användas. För närvarande börjar självmonteringsprocesser användas aktivt i produktionen.
Kärnan i självmonteringsfenomenet
I modern vetenskap finns det en enorm mängd faktamaterial av experimentella observationer av fenomenet självmontering. Speciellt imponerande är observationerna av självmontering av biologiska föremål, i synnerhet Klugs arbete om sammansättning av växtvirus, som belönades med 1982 års Nobelpris. Experimentella studier av självmontering är till övervägande del konstaterande till sin natur och ger omfattande kunskap om hur detta går till. Frågan om varför detta sker på detta sätt och inte på annat sätt är en utmaning för den moderna naturvetenskapen.
Låt oss överväga det välstuderade scenariot för montering av bakteriofag T4-viruset, beskrivet i alla läroböcker och som är ett klassiskt föremål för studien av självmontering. En förenklad version av skriptet visas i fig. 2. Sammansättningen involverar 54 typer av proteiner, som strikt är i en viss sekvens aggregerade till subaggregat av olika nivåer, och sedan sätts subaggregaten samman till en komplett viral partikel, inklusive mer än tusen proteinmolekyler. Det är ingen mening att modellera denna fint koordinerade, förgrenade hierarkiska process med hjälp av stokastiska koncept av slumpmässigt kolliderande molekyler.
Figur 2 - Scenario för montering av bakteriofag T4
Det råder ingen tvekan om att processen för att montera ett virus är deterministisk och kontrollerbar, och för att helt förstå denna process är det nödvändigt att definiera metoder för bestämning och kontrollmekanismer. Vetenskapligt tänkande under andra hälften av 1900-talet fascinerades av skapandet av en dator och upptäckten av ett kontrollsystem för proteinsyntes. Båda systemen är ideologiskt identiska och är förkroppsligandet av principen om koncentrerad förvaltning. Bäraren av koncentrerad kontroll är ett teckensystem - ett linjärt imperativt kontrollspråk. Det är ganska naturligt att de första försöken med matematisk modellering av självmonterings- och självreproduktionsprocesser gjordes inom ramen för automatteorin, till exempel von Neumann. Data från experimentella observationer bekräftar dock inte överensstämmelsen hos sådana modeller. Självmonteringsprocesser passar inte in i ett koncentrerat kontrollschema.
Experimentella data tillåter oss att hävda att i processen för självmontering finns det inget kontrollelement och inget teckensystem finns i någon form som beskriver sekvensen av monteringshandlingar eller ordningen för arrangemang av element i strukturen för självmonterande produkter . Specificiteten hos fenomenet självmontering ligger i det faktum att processen utan tvekan är deterministisk, men bestämningsmekanismen passar inte in i en enkel och förståelig metod för koncentrerad kontroll.
Självmontering är en implementering av den distribuerade styrmetoden, där kontrollfunktioner implementeras i den interna strukturen av de element som är inblandade i processen, och kontrollinformationen som bestämmer processen är fördelad över alla moment. Följaktligen är bärare av beslutsamhet i distribuerad kontroll specifika teckensystem som skiljer sig fundamentalt från de enklaste imperativa linjära språken, som datorspråk eller DNA-proteinsystemet. Huvuduppgiften för studien av självmontering är att bestämma logiken i förhållandet mellan element och sökandet efter teckensystem, bärare av distribuerad kontroll.
Överväg ett hypotetiskt självmonteringsscenario som uppfyller kraven för att implementera distribuerad kontroll. Några av stegen i skriptet visas i Fig. 3.
Figur 3 - Ett hypotetiskt scenario för växelverkan mellan element
Låt oss anta att två typer av molekyler, en boll och en amfora, är involverade i monteringen av den enklaste designen, ett rör. Vi överväger bara den logiska aspekten av självmontering och involverar ännu inte de fysikalisk-kemiska grunderna för interaktion i beskrivningen. Bollen och amforan är abstraktioner utrustade med kapacitet för någon postulerad montageaktivitet. Ett abstrakt "kombinationslås" introduceras i elementet. Installationsakten är endast möjlig om låskoderna matchar. Amforan och kulan har olika kombinationslås K1 och K2, därför är två kulor sammankopplade vid det första monteringssteget. Som ett resultat bildas en underenhet med ett nytt K2-kombinationslås. Vidare är en amfora med ett K2-kombinationslås dockad till underenheten, och en "tand"-underenhet med ett K3-kodlås bildas. Vidare, från tänderna, som från sektorer, byggs skivor, och skivorna sätts samman till ett rör. För att bygga ett sådant scenario är det nödvändigt att postulera ett förfarande för en elementär monteringshandling.
Låt oss definiera en elementär sammansättning som en procedur i fyra steg:
.aktivering av kombinationslåset;
.sökning och närmande av två element med matchande låskoder;
drift av lås
släcker sin aktivitet och bildar ett nytt kombinationslås för att fortsätta processen.
Vid varje monteringssteg bestäms således sammansättningshandlingarna av kombinationslåsens tillstånd, och utförandet av monteringshandlingen slutar med generering av en ny kod och ett nytt lås.
För tillfället finns det matematiska verktyg som kan beskriva den logiska aspekten av självmonteringsprocesser. Strömmande produktionssystem uppfyller kraven på skyltsystem som stödjer distribuerad styrning och kan på den logiska nivån spela rollen som bestämningsfaktorer för självmonteringsprocessen. Den omedelbara nästa uppgiften är gemensamt arbete med fysiker och biologer för att bygga strömmande produktionssystem som simulerar verkliga scenarier för självmontering av specifika objekt på logisk nivå. Detta kommer att följas av en sökning efter delar av strömmande produktionssystem i den fysikalisk-kemiska strukturen hos delarna av självmonterande deltagare. Den största beredskapen för sådana program finns inom området växtvirusforskning. ...
Om någon tror att en student vid Donetsk University N.V. Rebrov skrev nonsens här, jag citerar material som jag läste för 20 år sedan och som jag tog med i min bok "Livets geometri" .
Det finns en mycket viktig iakttagelse av Sovjetunionen om "automontering" av organiska strukturer. Akademiker V.A. Engelhardt(1894-1984).
Här är vad han skriver om detta fenomen i artikeln. "Om vissa attribut i livet: hierarki, integration," erkännande ".(Artikeln publicerades i samlingen: "Philosophy, Natural Science, Modernity", Moskva, "Mysl", 1981).
"Fenomenen" igenkänning och samtidigt integration i en särskilt distinkt, nästan visuellt uppfattad form (om vi tar hjälp av ett elektronmikroskop), uttrycks i processerna för den så kallade självmonteringen av supramolekylära strukturer, såsom virus och fager, ribosomer eller enzympartiklar med en komplex struktur ... Ett stort antal processer av detta slag har redan studerats i detalj. De kokar i huvudsak ner till det faktum att om ett komplext, flerkomponentsobjekt artificiellt sönderdelas till sina beståndsdelar med några skonsamma metoder, isolerar dem från varandra och sedan blandas i lämpliga proportioner och skapar gynnsamma förhållanden, då kommer de spontant att återmonteras. till sin ursprungliga integritet. Dess användbarhet är lätt och med yttersta övertygande bevis genom det faktum att inte bara dess ursprungliga morfologiska struktur återställs, utan också dess specifika biologiska egenskaper, till exempel katalytisk aktivitet i enzymer, infektiösa egenskaper i virus, etc. "
Som ni alla, vänner, ni förstår, förloppet av de beskrivna processerna "Erkännande" och självmontering molekylära strukturer till något "helt" och samtidigt återuppliva, besjäla(!), kan inte representeras utan processer information och energi interaktion av mikrovärlden med makrovärlden... Hur en sådan process av informations- och energiinteraktion mellan makro- och mikrokosmos fortskrider beskrevs ganska tydligt av den sovjetiske vetenskapsmannen, professor Alexander Leonidovich Chizhevsky (1897-1964), skaparen av en ny vetenskap - " Heliobiologi".
"Den organiska världens utvecklingsprocess är inte en självständig, autokton, självständig process, utan är resultatet av verkan av jordiska och kosmiska faktorer, av vilka de senare är de viktigaste, eftersom de bestämmer tillståndet för den organiska världen. markmiljö.Vid varje givet ögonblick är den organiska världen under inflytande av den kosmiska miljön och reflekterar mest känsligt i sig själv, i sina funktioner, de förändringar eller fluktuationer som sker i den kosmiska miljön. Vi kan lätt föreställa oss detta beroende om vi kommer ihåg att även en liten förändring i temperaturen på vår sol borde ha lett till de mest fantastiska, otroliga förändringarna i hela den organiska världen. Och det finns många så viktiga faktorer som temperatur: rymdmiljön ger oss hundratals olika, ständigt föränderliga och fluktuerande krafter från tid till annan. En del elektromagnetisk strålning som kommer från solen och stjärnorna kan delas in i ett mycket stort antal kategorier, som skiljer sig från varandra i våglängd, mängd energi, grad av permeabilitet och många andra egenskaper ... "
Det återstår för mig bara att tillägga: på samma sätt som de föds i naturen enligt principen "självmontering" olika virus och fager, precis som på principen om "självmontering" i havet världssändning vilket de gamla vismännen med rätta trodde livets vagga och miljön för spridningen av värme och ljus, allt liv i allmänhet föddes. När jag förstår denna information skulle jag rekommendera att ta hänsyn till det faktum att spontan generation komplexa livsformer på jorden ibland och dessa evolutionära processer, uppenbarligen, är förknippade med katastrofer av global skala, till exempel, såsom förändringen av jordens poler eller fallet av jätteasteroider till jorden. I naturen är ingenting oavsiktligt, allt är naturligt, därför vilket som helst global process nödvändigtvis förknippad med någon annan global process... Och när något dör på en planetarisk eller till och med på en kosmisk skala, något annat Är född på samma gång.
På senare år har begreppet "självorganisering" använts flitigt för att beskriva och förklara liknande fenomen i fysikaliska, kemiska, biologiska och till och med ekonomiska och sociologiska system. Det verkar som om, i motsats till allmänt accepterade termodynamiska lagar, i ett distribuerat dynamiskt system som består av dess inneboende enkla element, uppstår ordning - komplexa strukturer, komplext beteende eller komplexa rums-temporala fenomen. I det här fallet skiljer sig egenskaperna hos de framväxande strukturerna i grunden från egenskaperna hos de initiala elementen i systemet. Och det mest överraskande är att självorganisering i systemet uppstår spontant från ett homogent tillstånd.
Självorganisering är ett fenomen av spontan bildning av en struktur i system som är olika i sin fysiska natur. Den spontana uppkomsten av en struktur innebär uppkomsten av ett ordnat tillstånd i en initialt slumpmässig fördelning av systemkomponenter utan synlig yttre påverkan. I det allmänna fallet kan ordnade tillstånd vara en rumsligt olikformig fördelning av materiella komponenter i systemet som kvarstår i tiden; ihållande fluktuationer i koncentrationerna av systemkomponenter när de pendlar mellan två eller flera värden; mer komplexa former av ordnat kollektivt beteende hos komponenter. Bildandet av en struktur är lika inneboende i både fysiska enheter såsom lasrar och kemiska reaktionsmedier och biologiska vävnader, samhällen av levande organismer, geologiska och meteorologiska processer och sociala fenomen i det mänskliga samhället. Självorganiseringsmekanismer är olika för system av olika karaktär, men ändå delar de alla några gemensamma strukturella och dynamiska egenskaper.
System av olika karaktär kan motsvara olika, ofta kraftigt skilda från varandra, nivåer av komplexitet av självorganisering. Denna komplexitet bestäms av det självorganiserande systemets natur - komplexiteten i dess struktur och beteende, de dynamiska mekanismerna för interaktion mellan komponenter. Det mycket mer komplexa beteendet hos kollektiva insekter (bin, termiter, myror) i jämförelse med bakterier och virus ligger till grund för mycket mer komplexa processer för självorganisering av beteendet i samhället av kollektiva insekter. Samtidigt kan specifika manifestationer av självorganiseringsprocesser på relativt enkla nivåer av dess komplexitet fungera som en integrerad del av fenomen på en mer komplex nivå.
Levande och konsekventa exempel på självorganisering har hittats bland fysiska system. Begreppet självorganisering har utvidgats till kemiska fenomen, där, tillsammans med det, termen "självmontering" används i stor utsträckning. Och inom biologin, under andra hälften av 1900-talet, blev självorganisering det centrala begreppet för att beskriva dynamiken i biologiska system, från intracellulära processer till ekosystemens utveckling. Självorganisering är alltså ett tvärvetenskapligt fenomen och tillhör det kunskapsområde som brukar kallas cybernetik eller mer snävt - synergetik.
Varje särskild självorganiseringsprocess är baserad på någon sorts dualism. Å ena sidan utförs systemets självorganisering av specifika fysikaliska, kemiska eller andra mekanismer. Å andra sidan, för att systemet ska vara självorganiserande är det nödvändigt att uppfylla de cybernetiska villkoren som är gemensamma för alla självorganiserande system - de allmänna principerna för självorganisering.
- 1. Självorganiseringsprocesser uppstår i distribuerade dynamiska system. Ett distribuerat system bör vara en samling av ett stort antal enskilda komponenter, element som utgör systemet. Dessa kan inkludera individuella molekyler i kemiska reaktions-diffusionssystem, individer i ett fiskstim, individer i en folkmassa samlade på ett torg. Dessa komponenter måste interagera med varandra, det vill säga systemet måste vara dynamiskt och arbeta utifrån dynamiska mekanismer.
- 2. En viktig egenskap hos självorganiseringsprocesser är att de genomförs i öppna system. I ett termodynamiskt slutet system leder evolution i tiden till ett jämviktstillstånd med det maximala värdet av systemets entropi. Och enligt Boltzmann är detta ett tillstånd med maximal grad av slumpmässighet.
- 3. Systemet ska visa positiva och negativa återkopplingar. Processer som äger rum i ett dynamiskt system tenderar att förändra de initiala relationerna mellan komponenterna i systemet som är involverade i dessa processer. Detta kan villkorligt kallas förändringar vid systemets utgång. Samtidigt är dessa komponenter initiala för de processer som sker i systemet, de är också parametrar vid ingången till systemet. Om förändringar i systemets utgång påverkar ingångsparametrarna på ett sådant sätt att ändringarna i utgången förstärks kallas detta positiv feedback. Under negativ feedback det betyder en situation då dynamiska processer i systemet upprätthåller ett konstant tillstånd vid utgången. I det allmänna fallet modelleras dynamiska system med positiva och negativa återkopplingar av icke-linjära differentialekvationer. Detta är en återspegling av den olinjära naturen hos system som kan självorganisera - den huvudsakliga, uppenbarligen, egenskapen hos ett system som bestämmer dess förmåga till självorganisering.
Självmontering har ett kemiskt ursprung. Den introducerades 1987 av den franske kemisten J.-M. Lin för att särskilja processerna för spontan strukturbildning i system som befinner sig i ett tillstånd av termodynamisk jämvikt bland de många fenomenen av självorganisering. I själva verket är ett stort antal sådana strukturbildningsprocesser kända under jämvikt, eller snarare, förhållanden nära jämvikt. Bland dem, till exempel, "helix-coil" övergångar i polymermolekyler, bildandet av supramolekylära strukturer av amfifila molekyler (miceller, liposomer, dubbelskikt), etc., upp till kristallisering. I grund och botten används termen "självmontering" i relation till molekylära system. Icke desto mindre hittades processer som tillskrivs självmontering även i fallet med andra mikrometerformationer.
Självmontering kallas en process där en spontant ordnad enskild helhet (aggregat) bildas av enskilda komponenter eller komponenter i en blandning på grund av minimering av deras totala energi. I naturen bildas den slutliga konformationen av ett stort antal makromolekyler (såsom proteiner, miceller, liposomer och kolloider) genom självmontering under veckningsprocessen. Det finns många exempel på naturlig självmontering som spontant sker under inverkan av naturkrafter. Sådana naturliga självsammansättningar observeras på alla nivåer (från molekylär till makromolekylär) och i olika system av levande materia.
Självmontering inom nanoteknik omfattar ett brett spektrum av koncept och sätt att komplicera strukturer, från att odla kristaller till att skapa perfekta biologiska organismer. Med hjälp av naturliga mekanismer vid sådan självmontering är det möjligt att bilda och skapa olika nanostrukturer och sedan större system och material med erforderliga fysikalisk-kemiska egenskaper. Förstorade heterogena aggregat måste vara lämpliga för att utföra olika komplexa funktioner eller skapa nya former av material med ovanliga egenskaper.
Implementeringen av guidad självmontering av de erforderliga artificiella nanostrukturerna från molekylära "byggstenar" är nanoteknikens huvuduppgift. För att lösa det är det naturligtvis nödvändigt att använda information om intermolekylära interaktioner mellan molekylära "byggstenar", det rumsliga arrangemanget av nanostrukturer, resultaten av datormolekylär modellering, såväl som bionikdata. Bionics betyder produktion av konstgjorda föremål som imiterar naturliga system baserat på biologiska ämnens strukturer och funktioner.
Självmontering är huvudprocessen (eller drivkraften) som ledde från livlös materia till utvecklingen av den biologiska världen. Att förstå, framkalla och styra självmontering är nyckeln till en gradvis nedifrån och upp-övergång till nanoteknik. Om du känner till principerna för självmontering kan du förstå vilken roll olika krafter av intermolekylär interaktion spelar som styr denna självmontering. För att inducera och kontrollera den nödvändiga självmonteringsprocessen är det också nödvändigt att kunna modellera och förutsäga förloppet av självmonteringsprocessen under olika förhållanden.
Framgången med självmontering är förutbestämd av fem faktorer:
- 1. Förekomsten av molekylära byggstenar. Självmontering av stora molekyler, i intervallet från 1 till 100 nm, är av största intresse för nanoteknik. Dessutom, ju större och välstrukturerade de initiala molekylära "byggstenarna", desto högre nivå av teknisk kontroll över resten av molekylerna och deras interaktioner, vilket i hög grad underlättar självmonteringsprocessen. Diamantoider - kolväten i vilka kolatomer bildar ett tetraedriskt rumsligt gitter, exakt samma som i diamant (adamantaner, diamantaner och triamantaner) - kan betraktas som de mest universella och lovande kategorierna av molekylära "byggstenar".
- 2. Intermolekylära interaktioner. Vanligtvis bestäms krafterna som ger självmontering av svaga icke-kovalenta intermolekylära bindningar: elektrostatiska och vätebindningar, van der Waals, polära, hydrofoba och hydrofila interaktioner. Kompatibiliteten för enskilda delar och stabiliteten hos hela självmonteringskomplexet tillhandahålls av ett stort antal sådana svaga interaktioner för konformationen av varje molekylär plats. Ett exempel på en stabil självmontering byggd på svaga interaktioner är strukturen hos proteiner.
- 3. Reversibilitet av processen. Befintliga såväl som föreslagna självmonteringar inom nanoteknik är kontrollerade men spontana processer under vilka molekylära "byggstenar" kombineras till de nödvändiga beställda sammansättningarna eller komplexen. För att en sådan process ska vara spontan måste den genomföras på ett reversibelt sätt.
- 4. Säkerställa rörligheten för molekyler. På grund av den dynamiska naturen hos självmonteringsprocessen kräver den ett flytande medium. En möjlig yttre miljö kan innefatta: vätskor, gaser, vätskor i ett superkritiskt tillstånd, gränssnitt mellan kristaller och vätskor från sidan av vätskefasen etc. I alla dessa fall, under självmontering, måste dynamiska utbytesprocesser ske i riktningen att nå systemet med lägsta energivärde.
- 5. Processflödesmiljö. Självmontering påverkas avsevärt av miljön. Det resulterande molekylära aggregatet är en ordnad uppsättning partiklar som har den termodynamiskt mest stabila konformationen. Självmontering sker i ett vätskeformigt och ett gasformigt medium (inklusive ett medium med "tät gas - superkritisk vätska"), nära gränsytan mellan kristall och vätska eller vid gränsytan mellan gas och vätska.
I varje steg av monteringen måste minst en komponent fritt diffundera i lösningsmedlet för att hitta dess specifika bindningsställe, efter att ha undersökt alla möjliga positioner och orienteringar. Detta kräver att komponenten är löslig, har en yta som är komplementär till ytan av dess specifika bindningsställe och att alla andra ytor av förformen och komponenten är icke-komplementära för att förhindra deras stabila bindning. Dessa parametrar kompletterar de funktionella kraven: material och arbetsmiljöer under naturliga förhållanden är mest lämpade för bildandet av komplexa strukturer med självmontering. Denna process har framgångsrikt tillämpats inom supramolekylär kemi och används också i stor utsträckning för att kontrollera molekylär kristallisation.
Låt oss överväga metoden för självmontering. Det finns två typer av det, som är baserade på två processer som sker, för det första, vid gränsytan mellan den flytande och fasta fasen och, för det andra, inom den flytande fasen. Vätskefasen kan tas som en vätska, ånga eller tät gas (i ett superkritiskt tillstånd).
Det finns ett antal laboratorie-självmonteringsmetoder som använder ett flytande medium som ett externt medium för association av molekyler, och en fast yta som grund för kärnbildning och tillväxt.
Fixeringen av molekyler som frön för montering på fasta substrat som används för självmontering kan utföras genom bildning av kovalenta eller icke-kovalenta bindningar mellan molekylen och ytan. De förra orsakar irreversibel och därför stabil fixering i alla monteringsstadier. Fixering med hjälp av den senare är en reversibel process, i början av vilken den är instabil, men blir stabil med motsvarande utveckling av självmonteringsprocessen.
Den kovalenta bindningen, som oftast används för fixering, är bindningen av sulfid med en ädelmetall. Ett sådant exempel är den kovalenta bindningen mellan tiolinnehållande molekyler (såsom alkantiolkedjor eller proteiner som innehåller cystin i sin struktur) och guld. Typiska icke-kovalenta bindningar som används för fixering inkluderar följande tre typer av bindning: 1) på grund av affinitetsenergin för antikroppar; 2) på grund av affinitetsenergin med användning av biotin-streptavidinsystemet och dess modifiering; 3) komplexbildning med fixerade metalljoner.
Självmontering av ett monolager är av stor praktisk betydelse. Per definition är ett självmonterat monolager en enmolekyl tjock tvådimensionell film som bildar kovalenta bindningar med en fast yta. Självmontering av ett monolager används ofta inom nanoteknik, inklusive nanolitografi, för att modifiera ytornas adhesiva egenskaper och vätningsegenskaper, vid utveckling av kemiska och biologiska sensorer, isolerande lager i mikroelektroniska kretsar och tillverkning av nanoenheter, etc.
Olika metoder för att producera självmonterande proteinmonoskikt (SSM):
Låt oss överväga olika sätt för självmontering av ett proteinmonoskikt (Fig. 6.14).
- 1. Fysisk adsorption. Denna teknik är baserad på adsorption av proteiner på hårda ytor som en kolelektrod, metalloxid eller kiseloxid. De adsorberade proteinerna bildar ett självmonterande monolager med slumpmässigt orienterade proteiner. Kontroll av orienteringsegenskaper kan förbättras genom att modifiera proteinet och själva ytan, som visas i fig. 6.14a.
- 2. Inkorporering av polyelektrolyter eller ledande polymerer, som kan fungera som en matris, vars yta fångar, fixerar och adsorberar proteiner. Denna process visas i fig. 6,146.
- 3. Inkorporering i ett självmonterat monolager av alkantiolkedjor skapar ett membranliknande monolager på en ädelmetall, medan proteiner kan vara fysisk adsorption (a); spridning av proteiner i polyelektrolyter eller ledande polymerer (b); interspersing i CCM (c); ansluta till SSM med en icke-orienterad plats ( G); sammanfoga SSM med en orienterad plats (b); direkt platsspecifik fästning till guldytan (e).
belägen i ingen speciell riktning. Om kedjor av olika längd används (som skapar bucklor och gropar), kommer detta att bestämma en viss topografi av det självmonterande monoskiktet, som i sin tur kan orientera proteiner (Fig. 6.14c).
- 4. Icke-orienterad infästning till ett självmonterande monolager. I detta fall har kedjorna som bildar ett självmonterande monolager funktionella grupper i ändarna som reagerar på ett ospecifikt sätt med olika regioner av proteinet. Av denna anledning är orienteringen av proteiner slumpmässig, som visas i fig. 6,14g.
- 5. Orienterad infästning till ett självmonterat monolager. Sammansättningsprinciperna är desamma som i föregående fall, men här interagerar den funktionella gruppen specifikt endast med en viss domän eller del av denna domän, och därför utförs en tydligt uttryckt orientering. För detta ändamål kan strukturen hos proteiner modifieras kemiskt eller genetiskt. Denna självmonteringsmetod visas i fig. 6.14d.
- 6. Direkt selektiv anslutning till guld. Detta uppstår när cystin, som har unika egenskaper, binder till guldytan. I det här fallet är orienteringen helt kontrollerad. Detta anslutningsalternativ visas i fig. 6.14f.
Töjningsstyrd självmontering används vid tillverkning och anslutning av ledningar och brytare. En yta med en litografiskt specificerad relief impregneras med en avsatt substans av en kontrollerad sammansättning under deformationsförhållanden. En funktionell grupp kan införas i substratet, vilket vanligtvis är förknippat med ytans funktionalitet. Denna självmonteringsmetod kan användas till exempel vid skapandet av halvledarenheter, där det krävs att systemkomponenterna fixeras på ett fast substrat för att fullständigt kontrollera framstegen i självmonteringsprocessen och dess slutförande.
DNA guidad monteringsdiagram
DNA kan användas både för platsselektiv fixering och som ett bindemedel, vilket resulterar i ett gitterramverk för självmontering av nanostrukturer. Syntesen av ett konjugat av en nukleinsyra och ett protein med användning av specifika interaktioner mellan två komplementära DNA-strängar, antigen och antikropp, mellan BIO och CTB kan ge effektiva mekanismer som bestämmer riktningen för vidhäftning av nanostrukturerade moduler (Fig. 6.15).
De senaste framstegen inom genteknik i metoder för att manipulera DNA-sekvenser fixerade på ytan av guld, som legering, ökar ytterligare kontrollen över självmonteringsprocessen. En liknande metod kan användas när det gäller molekyler av oorganiska ämnen som når storleken av nanokristaller. DNA kan också användas för mallsyntes. Ett exempel på en sådan syntes är tillverkning av silver nanotrådar med hjälp av DNA som bas.
Ett effektivt sätt att upptäcka lovande föreningar och självsammansättningar är att tillämpa prestationerna av dynamisk kombinatorisk kemi, som är en evolutionär bottom-up-strategi för nanoteknik. För att utveckla strukturen för dynamisk kombinatorisk kemi är det nödvändigt att sätta ihop ett dynamiskt kombinatoriskt bibliotek av mellanliggande komponenter, som, när de läggs till av mallar, bildar den erforderliga molekylära sammansättningen. I dynamisk kombinatorisk kemi är molekyligenkänningsmekanismen en viktig komponent. Tillägget är kunskapen om särdragen i skapandet av "gäst-värd"-komplexen.
För närvarande används kombinatorisk kemi som en metod för teoretisk forskning för att fastställa de strukturella grunderna för enzymfunktion och identifiera nya enzyminhibitorer. Man tror att med dess hjälp är en potentiellt snabb tillgång till nya självmonteringar inom nanoteknik möjlig, såväl som till upptäckten av nya läkemedel, supramolekylära sammansättningar och katalysatorer.
Det finns två typer av kombinatorisk kemi: traditionell och dynamisk (Figur 6.16). Huvudskillnaden mellan de två är att i dynamisk kemi är molekylära "byggstenar" sammanlänkade av svaga men reversibla icke-kovalenta bindningar, medan i traditionell kombinatorisk kemi beror interaktioner främst på starka och irreversibla kovalenta bindningar.
I traditionell kombinatorisk kemi bildas en statisk blandning av aggregat med en fixerad sammansättning, och den införda "mallen" (ligand) väljer det bästa bindemedlet utan att öka dess innehåll. Inom dynamisk kombinatorisk kemi utgår man från en dynamisk blandning, i vilken, efter tillsats av en "mall", ändras sammansättningen och fördelningen av koncentrationer av block, och det bästa bindemedlet i förhållande till "mallen" kommer att vara den enda dominerande produkten.
I kombinatorisk kemi anses en "mall" (eller ligand) vara en molekyl, jon eller makromolekyl som reagerar med andra komponenter och ändrar koncentrationsfördelningen av systemets produkter under kontinuerliga reaktioner av bildningen av det nödvändiga aggregatet, makromolekylen eller mellanprodukt. Ett exempel på en "mall" är en DNA-molekyl som fungerar som en modell för syntes av en makromolekyl såsom RNA.
Självmontering i dynamisk kombinatorisk kemi möjliggör nya tillvägagångssätt för molekylär sammansättning. Många intressanta förbättringar har gjorts på detta område de senaste åren. I synnerhet har den så kallade molekylära dockningen, en procedur för att hitta de optimala fästningsställena för små molekyler av en ligand (biologiskt aktiv substans) till en proteinmakromolekyl, fått stor utveckling.
Ett dynamiskt kombinatoriskt bibliotek (DCL) är en uppsättning mellanprodukter som kan vara i dynamisk jämvikt med byggstenarna. För att beskriva sammansättningen av DCS används vanligtvis termen "kemisk kit", som består av två eller flera bibliotekskomponenter, "byggblock" eller reagens. Från det dynamiska kombinatoriska biblioteket väljs "bygg"-block med egenskaper som är lämpliga för bildandet av självmonterade objekt, och i närvaro av en "mall" utförs självmontering.
DCB-komponenter interagerar genom bildandet av svaga icke-kovalenta bindningar. I princip är det möjligt att skapa vilka vändbara sammansättningar som helst av dessa komponenter. Eftersom alla interaktioner mellan komponenter är reversibla och i jämvikt, har DCB en dynamisk natur. Därmed kan DCS enkelt reagera på olika yttre faktorer. Speciellt kan antalet vissa DCB-aggregat ändras med förändrade termodynamiska förhållanden och beroende på typen av "mall" som läggs till systemet. I jämviktstillståndet före tillägget av "mallen" har DCB-komponenterna många möjligheter att interagera med varandra genom svaga icke-kovalenta bindningar med bildning av olika aggregat. Efter att "mallen" lagts till i DCS-systemet omfördelas innehållet av intermediära ämnen. Som ett resultat kommer endast koncentrationen av de aggregat eller sammansättningar som bäst motsvarar "tempot" att öka och bli stabila.
En ökning av koncentrationen av en viss mellanprodukt kan endast ske som ett resultat av en reversibel förskjutning av de återstående reaktionerna i riktning mot bildningen av denna produkt, om bara detta dikteras av jämviktsförhållanden (att nå ett minimum av energi och en maximalt entropi). Följaktligen strävar systemet efter att förse sammansättningen med de mest stabila bindningarna med "temperaturen", medan koncentrationen av instabila sammansättningar minskar i detta fall. Samtidigt kan DCB-komponenter interagera spontant med varandra och producera ett stort antal olika aggregat med olika former och egenskaper.
Det finns många faktorer som påverkar effektiviteten av DCS. Dessa inkluderar:
1. Typen av DCS-komponenter och mallar. Det är viktigt att de valda komponenterna har lämpliga funktionella grupper. Ju större mångfalden är av dessa grupper i komponenter, desto mer variabilitet kan uppnås i utformningen av system (se figur 6.17). Dessutom måste egenskaperna för dessa grupper vara kompatibla med egenskaperna för "mallen".
- 2. Typer av intermolekylära interaktioner i DCB. För att förutsäga möjligheten av bildandet av molekylära aggregat med hjälp av beräkningskemi, är det nödvändigt att veta på förhand om de intermolekylära interaktionerna mellan komponenterna och mekanismen för komponentens association med "mallen". I DCB bör intermolekylära interaktioner vara icke-kovalenta, vilket leder till reversibiliteten av de transformationer som sker mellan DCB-komponenterna. Sådana interaktioner underlättar det snabba upprättandet av jämvikt, så att alla tillgängliga möjligheter för bildning av molekylära aggregat kan testas.
- 3. Termodynamiska förhållanden. Lösligheten av komponenter, mallar och de resulterande molekylära aggregaten i ett lösningsmedel (DCB-medium) kan starkt bero på termodynamiska jämviktsförhållanden. För att öka effektiviteten hos DCB bör komponenternas löslighet i mediet inte skilja sig signifikant från lösligheten för "schablonen". I ett vattenhaltigt medium är otillräcklig löslighet av "mallen" ett problem främst när man använder ett protein som dess kvalitet, nukleinsyror kan också skapa ett liknande problem. Bildandet av ett olösligt molekylärt aggregat förskjuter jämvikten i riktning mot bildningen av detta aggregat som en reaktionsprodukt. Villkoren för reaktionsförloppet som presenteras i DCS bör vara så milda som möjligt för att minimera sannolikheten för inkompatibilitet som är oundviklig i processerna för utbyte och igenkänning.
- 4. Analysmetoder. I DCS måste det under vissa omständigheter vara möjligt att avsluta de pågående reaktionerna så att systemet kan flyttas från ett dynamiskt till ett statiskt tillstånd. Avslutningen av reaktionerna gör att systemet kan "kopplas bort" från syntesen efter tillsats av "mallen" och bildandet av bästa möjliga tvärbindningsreagens. I detta fall kommer systemet till ett jämviktstillstånd och fördelningen av molekylära aggregat förblir konstant för analys.
Ibland kan en förenkling av självmonteringsprocessen uppnås genom analys i igenkänningsstadiet. Molekylär igenkänning är specifik identifiering genom interaktionen av en molekyl med en annan.
Det speciella med igenkänning av DCB-molekyler ligger i valet av den mest lämpliga receptorn för en given "mall". Detta bidrar till utvecklingen av ett evolutionärt tillvägagångssätt för att erhålla och selektivt urval av de mest lämpliga receptorerna, liknande naturens evolutionära utveckling. Riktad utveckling av högaffinitetsligander för biomolekyler inom det nyligen framväxande området kombinatorisk kemi som kallas dynamisk variation, kan användas i stor utsträckning vid självmontering.
Det finns två grundläggande tillvägagångssätt för processen för molekylär igenkänning: formning och formning (se fig. 6.18).
När man "formar" det skapade molekylära aggregatet från biblioteket av föreningar tar formen
Illustration av formning och formning i molekyligenkänning
tomhet, begränsad av "mallen". Det fria utrymmet inuti "mallen" fungerar som en klumpa och en plats där bibliotekskomponenterna ansluts och aggregat bildas. När "gjutning" är en direkt anslutning av komponenterna i det dynamiska biblioteket med hjälp av "mallar".
Ett stort antal molekyler används för självmontering, receptorbildning och igenkänning av molekyler. Sådana "igenkännings"-molekyler kan innehålla receptorer för igenkänning av sura karboxyl-, peptid-, kolhydrat- och andra grupper.
Molekylära receptorer är begreppsmässigt de enklaste föremålen för supramolekylär kemi, även om deras struktur långt ifrån alltid är enkel. Deras funktion är att "hitta" det erforderliga substratet bland liknande och selektivt, det vill säga att selektivt binda det. Selektivitet för molekylär igenkänning uppnås om, tillsammans med komplementariteten hos receptorn och substratet, det finns en stark total bindning mellan dem, vilket uppstår på grund av de multipla interaktionerna mellan flera bindningsställen. En nödvändig förutsättning för en sådan interaktion är en stor kontaktyta mellan receptorn och substratet.
Särskilda metoder och reagens är tillgängliga för att konstruera cykliska, behållar- eller linjära självmonterande strukturer (eller komplex) som receptorer och för att identifiera molekyler. Till exempel är en strategi för att konstruera en cyklisk struktur att använda trippel- och komplementära vätebindningar mellan donator-donator-acceptorgruppen i en molekyl och acceptor-acceptor-donatorgruppen i en annan molekyl.
Metoderna för "behållar" supramolekylär kemi kan också användas för att designa makromolekyler som är mottagliga för molekylär igenkänning och bildning av specifika bindningar. I dessa metoder interagerar den inre ytan av den designade molekylen (”värden” eller receptorn) med ytan på ”gästen” eller liganden, och energin hos de svaga bindningarna som bildas mellan dem bestämmer styrkan hos den specifika bindningen och förmågan att känna igen molekyler.
Efter att självmonteringen av komponenterna är klar, antar den resulterande "värden" en individuell rumslig konformation, ofta med ett tomrum eller mellanrum för den fullständiga eller partiella inneslutningen av "gäst"-molekylen i den. Även om kontrollen över utvecklingen av teknologi och specificiteten för igenkänning i dessa metoder inte är lika betydande som i det dynamiska kombinatoriska biblioteket, finns det i många fall färre begränsningar och svårigheter i utvecklingen än i systemen för dynamiska kombinatoriska bibliotek.
IIIIIIIIIIII "IIIIIIIII" IIIIIIIII "IIIIIIIII" IIIIIIIII "IIIIIIIII" IIIIIIIII "IIIIIIIII" IIIIIIIII "IIIII11111 Nr. 111111IIIIIIIII Nr. 11111IIIIIIIIIIIIIIIIII Nr. 11111IIIIIIIIIIIIIIIIII Nr. 11 ^
Fig 1. Dechiffrerad med röntgenkristallografi, molekylstrukturen av en polyeder erhållen genom självmontering från 144 molekyler "border =" 0 ">
En grupp kemister från Japan lyckades bryta självmonteringsrekordet av molekylärgeometriska figurer som satts av sig själv. Forskare kunde välja förhållanden och komponenter så att den molekylära polyederns självmonterande reaktion, liknande virala kapsider (proteinmembran), ägde rum i lösningen. Den nya rekordhållaren bestod av 144 molekyler. Denna upptäckt har en enorm potential för tillämpningar, eftersom mindre strukturer länge har använts för katalys, överkänsliga sensorer, energilagring, stabilisering av sprängämnen med mera.
Filosofiskt är experimentell kemi i huvudsak självmontering. En kemist lägger bara till vissa reagenser till andra, och de interagerar i en lösning av sig själva: som regel driver ingenting annat än diffusion och elektrostatik dem mot varandra. Kristaller växer på samma sätt: en molekyl "klibbar" till en annan och "väljer" den mest energimässigt gynnsamma konformationen.
Detta sker i princip även i en levande cell. Molekyler, som flyter i cytoplasman, sätter sig samman till strukturer, sedan katalyserar dessa strukturer självmonteringen av andra strukturer, upp till en flercellig organism. Allt detta ser ut som en enorm fungerande fabrik utan en enda arbetare, butikschef, direktör eller städerska. Allt fungerar enligt (bio)kemiska lagar utan någons medvetna övervakning eller kontroll - detta är resultatet av evolution, gradvis komplikation, överlevnad av fungerande system och förtvining av icke-fungerande.
Forskning om lagarna för självmontering av molekyler började med försök att kopiera naturliga processer. Men biologiska föremål är sådana att det ibland är svårt för den mänskliga hjärnan att föreställa sig ens deras form. Detta utgör ett allvarligt problem för biokemisk forskning. Så gradvis, i början av 90-talet, uppstod en idé: varför är det faktiskt nödvändigt att undersöka endast naturlig självmontering? Kan du inte komma från andra sidan? Välj modeller som är lättare att forska i och försök förstå naturen utifrån deras bas. Det vill säga att först samla kunskapen som sprids under den brinnande lyktan, och först sedan gå till de släckta lyktorna. Tja, vad kan vara enklare än geometriska former? Denna idé, som ofta är fallet, uppstod oberoende av olika forskargrupper - gruppen av Peter J. Stang från USA och gruppen av Makoto Fujita från Japan.
Nästan omedelbart blev det klart att man inte kunde stanna vid tvådimensionella strukturer och försöka sätta ihop tredimensionella strukturer på ett liknande sätt - molekylära "burar"; ris. 3. För att få tredimensionella former behövs donatorer och/eller acceptorer med tre eller fler aktiva ändar.
Reaktionerna visade sig ha en något oväntad, och till och med kontraintuitiv, egenskap: om man blandar flera olika "blåa" molekyler med "röda" så "väljer" de fortfarande från lösningen de som ger de mest ordnade strukturerna utan att blandas med varje Övrig. Således utförs i själva verket inte bara självmontering, utan även självsortering (Fig. 4). Detta förklaras av det faktum att de mest ordnade strukturerna i kombination visade sig vara de mest energiskt gynnsamma.
Vid en första anblick kan forskningsfältet om självmontering av molekylära geometriska figurer verka väldigt smalt, av inte mer än akademiskt intresse. Det finns verkligen tillräckligt med områden som någon gång kommer väl till pass för något (eller inte kommer till användning), men i det aktuella fallet är det inte alls så. Både strukturer och metoder för att erhålla dem (liksom öppna mönster) hittade mycket snabbt ett stort antal omedelbara och avlägsna tillämpningar. Som väntat har dessa studier gjort det tydligare hur självmontering av biologiska strukturer (som virala kapsider) fungerar.
Självmonteringsmetoder har legat till grund för ett stort forskningsfält om metallorganiska ramverk (MOF). De strukturer som erhålls med sådana metoder används som överkänsliga sensorer, eftersom de ändrar sina fysikaliska egenskaper när de interagerar med vissa ämnen. Med hjälp av molekylära "celler" accelereras organiska reaktioner, genom att använda inre håligheter för att föra reaktanterna närmare varandra (som enzymer gör i naturen). De stabiliserar även sprängämnen eller självantändande ämnen, som vit fosfor. I vissa typer av molekylära "celler" sätts läkemedel in och förs till målorgan, förbi friska. Och det här är inte en komplett lista.
Den akademiska forskningen inom ett så användbart område har förstås inte heller stannat. I synnerhet är en av de nyfikna frågorna som ställs av forskare för självmontering - vilket är det största antalet molekyler som kan "självmontera" till en ordnad struktur utan hjälp utifrån? I naturen kan ett sådant trick utföras av hundratals komponenter (till exempel samma virala kapsider). Kommer kemister att kunna konkurrera med naturen?
Det näst sista rekordet sattes i Fujita-gruppen. I början av 2016, genom att noggrant beräkna topologin för den önskade strukturen och planera geometrin för de molekylära "detaljerna av konstruktören", lyckades de (själv) sätta ihop en struktur som tillhör klassen av arkimediska kroppar från 90 partiklar: 30 fyrvärda palladiumacceptorer och 60 bipyridindonatorer (andra från höger på fig. 5).
Etthundrakomponentspärren var ännu inte övervunnen, och vissa tyckte att den var oöverstiglig. Genom att ignorera skeptikernas förutsägelser, i en ny studie, svängde forskare mot nästa arkimedeiska polyeder med 180 partiklar: 60 palladiumacceptorer och 120 pyridindonatorer (strukturen längst till höger i fig. 5).
Efter att ha gjort lämpliga beräkningar syntetiserade kemister molekylära tegelstenar för det, gjorde en lösning av ingredienserna i förhållandet en acceptor till två donatorer och följde reaktionen med hjälp av NMR-spektroskopi. När alla utgångsreagenser reagerade, isolerades kristaller från lösningen och deras molekylära struktur karakteriserades genom röntgenstrukturanalys. Till experimentörernas förvåning såg de en polyeder med en struktur långt ifrån vad som förväntades (Fig. 6, vänster).
Precis som den tidigare rekordhållaren bestod den av 30 acceptorer och 60 donatorer ("aha!" - utropade skeptiker), bara den tillhörde inte arkimedeiska polyedrar, utan låg nära en annan klass av figurer - Goldberg polyhedrons (se Goldberg polyhedron) .
Goldbergs polyedrar är geometriska former som upptäcktes av matematikern Michael Goldberg 1937. Klassiska Goldberg-polytoper består av pentagoner och hexagoner kopplade till varandra enligt vissa regler (förresten, den stympade ikosaedern, bekant för många från formen av en fotboll, är ett exempel på Goldberg-polyedern). Trots att polytoper i den diskussion som diskuteras består av trianglar och kvadrater, är de relaterade till Goldberg-polytoper, vilket bevisas med hjälp av grafteori.
Forskare gjorde ytterligare beräkningar, av vilka det följde att denna struktur är metastabil och att det finns en mer energimässigt stabil polyeder med 48 acceptorer och 96 donatorer, som kan erhållas från samma modermolekyler. Det återstod bara att hitta lämpliga förutsättningar för dess produktion, isolering och egenskaper. Efter många försök, vid olika temperaturer och med användning av olika lösningsmedel, erhölls kristaller som visuellt skilde sig från de tidigare under mikroskopet. Med pincett togs de från de tidigare karakteriserade, och röntgenstrukturanalys bekräftade: en ny rekordhållare, bestående av 144 molekyler, erhölls genom självmontering (fig. 6, höger).
Med tanke på historien om framgångsrika sökningar efter applikationer för mindre analoger hoppas författarna att intressanta applikationer ska hittas för de nyupptäckta molekylerna, såväl som de metoder som har utvecklats för dem. De tänker inte stanna där och tänker få ännu större strukturer från fler komponenter.
Källor:
1) Rajesh Chakrabarty, Partha S. Mukherjee, Peter J. Stang. Supramolekylär koordination: självmontering av finita två- och tredimensionella ensembler // Kemiska recensioner... 2011. V. 111, s. 6810–6918. DOI: 10.1021 / cr200077m.
2) Daishi Fujita, Yoshihiro Ueda, Sota Sato, Nobuhiro Mizuno, Takashi Kumasaka, Makoto Fujita. Självmontering av fyrvärd Goldberg polyhedral av 144 små komponenter // Natur... 2016. V. 510, s. 563-567. DOI: 10.1038 / nature20771.
Grigory Molev
Nanopartikelär en partikel mindre än 100 mikron i storlek. Den nuvarande trenden mot miniatyrisering har visat att ett ämne kan få helt nya egenskaper om man tar en mycket liten partikel av detta ämne. Partiklar som sträcker sig i storlek från 1 till 100 nanometer kallas vanligen för "nanopartiklar". Till exempel visade det sig att nanopartiklar av vissa material har mycket goda katalytiska och adsorptionsegenskaper. Andra material visar fantastiska optiska egenskaper, till exempel används ultratunna filmer av organiskt material för produktion av solceller. Sådana batterier är, även om de har en relativt låg kvantverkningsgrad, billigare och kan vara mekaniskt flexibla. Det är möjligt att uppnå interaktionen mellan artificiella nanopartiklar och naturliga föremål i nanostorlek - proteiner, nukleinsyror etc. Noggrant renade nanopartiklar kan självjustera in i vissa strukturer. Denna struktur innehåller strikt ordnade nanopartiklar och uppvisar också ofta ovanliga egenskaper. Nanoobjekt är indelade i tre huvudklasser: tredimensionella partiklar erhållna genom explosion av ledare, plasmafusion; tvådimensionella objekt - filmer erhållna genom molekylär skiktning, CVD, ALD, jonskiktning; endimensionella föremål - morrhår (dessa föremål erhålls genom metoden för molekylär skiktning, införande av ämnen i cylindriska mikroporer) För närvarande har endast mikrolitografimetoden fått stor användning, vilket gör det möjligt att få platta ö-objekt på ytan på matriser från 50 nm i storlek, den används i elektronik; CVD och ALD används främst för att skapa mikronfilmer. Andra metoder används främst för vetenskapliga ändamål. I synnerhet bör metoderna för jonisk och molekylär skiktning noteras, eftersom de kan användas för att skapa riktiga monoskikt. Nanoteknik- ett tvärvetenskapligt område av grundläggande och tillämpad vetenskap och teknik, som handlar om en uppsättning teoretiska motiveringar, praktiska metoder för forskning, analys och syntes, samt metoder för produktion och användning av produkter med en given atomstruktur genom kontrollerad manipulation av individuella atomer och molekyler ... Nanomaterial- Material som utvecklats på basis av nanopartiklar med unika egenskaper till följd av komponenternas mikroskopiska storlekar. Kolnanorör är förlängda cylindriska strukturer från en till flera tiotals nanometer i diameter och upp till flera centimeter långa, bestående av ett eller flera hexagonala grafitplan rullade till ett rör och vanligtvis slutar i ett halvklotformat huvud. Fullerener är molekylära föreningar som tillhör klassen allotropa former av kol. Grafen är ett monolager av kolatomer som erhölls i oktober 2004 vid University of Manchester. Grafen kan användas som detektor för molekyler. Nanolitografi den viktigaste metoden för att skapa nanometerstora enheter. Denna metod kan användas för att skapa elektroniska kretsar, minneskretsar med hög kapacitet, sensorer. Nanomedicin- Spårning, korrigering, konstruktion och kontroll över mänskliga biologiska system på molekylär nivå, med hjälp av nanoenheter och nanostrukturer. Nanobioelektronik) - en sektion av elektronik och nanoteknik, som använder biomaterial och principerna för informationsbehandling av biologiska objekt inom datorteknik för att skapa elektroniska enheter. Molekylär självmontering- Skapande av godtyckliga DNA-sekvenser som kan användas för att skapa de nödvändiga proteinerna eller aminosyrorna.
) — processen för bildning av en ordnad supramolekylär struktur eller medium, där endast komponenterna (elementen) i den ursprungliga strukturen deltar i en nästan oförändrad form, som additivt utgör eller "samlar", som delar av helheten, den resulterande komplexa strukturen.
Beskrivning
Självmontering avser de typiska bottom-up-metoderna för att producera nanostrukturer (nanomaterial). Huvuduppgiften som står i dess implementering är behovet av att påverka systemets parametrar på detta sätt och så ställa in egenskaperna hos enskilda partiklar så att de organiseras med bildandet av den önskade strukturen. Självmontering är kärnan i många processer där "instruktioner" om hur man sätter ihop stora föremål "kodas" i de strukturella egenskaperna hos enskilda molekyler. Självmontering bör särskiljas från, som kan användas som en mekanism för att skapa komplexa "mönster", processer och strukturer på en högre hierarkisk nivå i organisationen än den som observeras i det ursprungliga systemet (se fig.). Skillnaderna ligger i de många och multivariata interaktionerna mellan komponenterna på låga nivåer, där det finns sina egna, lokala, interaktionslagar, som skiljer sig från de kollektiva beteendelagarna för själva beställningssystemet. Självorganiseringsprocesser kännetecknas av interaktionsenergier av olika skalor, såväl som förekomsten av begränsningar av systemets frihetsgrader på flera olika nivåer av dess organisation. Således är självmonteringsprocessen ett enklare fenomen. Ändå bör man inte gå till ytterligheter och anta till exempel att tillväxtprocessen för en enskild kristall är självmontering av atomer (vilket i princip motsvarar definitionen), även om t.ex. självmontering av större föremål - mikrosfärer av samma storlek, som bildar den tätaste sfäriska packningen, vilket leder till bildandet av det så kallade (tredimensionella diffraktionsgittret från mikrosfärer) - detta är ett typiskt exempel på självmontering. Självmontering inkluderar bildandet (till exempel av tiolmolekyler på en slät guldfilm), bildandet av filmer etc.
Illustrationer
författare
- Goodilin Evgeny Alekseevich
Källor av
- Philosophy of nanosynthesis // Nanometer, 2007. -www.nanometer.ru/2007/12/15/samosborka_5415.html (åtkomstdatum: 13.10.2009).
- Självmontering // Wikipedia, den fria encyklopedin. - http://en.wikipedia.org/wiki/Self-assembly (åtkomstdatum: 31.07.2010).
