Самосборка и самоорганизация
Среди различных перспективных подходов формирования наноструктур все большее значение приобретают нанотехнологии, использующие самоорганизацию. Предполагается, что самоорганизация позволит создавать наноструктуры из отдельных атомов как технология «снизу-вверх». Молекулярная самосборка в отличие от «нисходящего» подхода нанотехнологий, например, литографии, где желаемая наноструктура появляется из большей по размеру заготовки, является важной составляющей "восходящего" подхода, где желаемая наноструктура является результатом своеобразного программирования формы и функциональных групп молекул.
Какие наноструктуры можно строить, используя данные технологии? Говорится о разных материалах, так как эти технологии позволяют создавать устройства, формируя их из атомов и молекул, используя процессы самоорганизации так, как их использует природа. В природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Самым ярким примером является пример сборки сложнейших биологических объектов на основе информации, записанной в ДНК (см. рис. 1).
Рисунок 1 — Пример самосборки биологической структуры
Как было раньше? Мы брали, скажем, кусок железа и делали из него молоток, просто убирая все лишнее (технология «сверху-вниз»). Нанотехнология же в ближайшем будущем позволит делать изделия из материалов с нуля, причем не всегда будет нужно складывать атом к атому «вручную», мы сможем использовать явление самоорганизации, самосборки наноструктур и наноустройств. При этом достаточно трудно ожидать, что на наноуровне возможна искусственная манипуляция отдельными нанообъектами с целью «ручной» сборки материала. Это пока что нецелесообразно (медленно и требует выполнения большого объема работы). Поэтому естественным способом получения наноматералов может являться самоорганизация.
Самосборка (англ. self-assembly) — это термин для описания процессов, в результате которых неорганизованные системы благодаря специфическому, местному взаимодействию компонентов систем приходят к упорядоченному состоянию.
Самосборка бывает как статической, так и динамической. В случае статической самосборки организующаяся система приближается к состоянию равновесия, уменьшая свою свободную энергию. В случае же динамической самосборки более корректным является использование термина самоорганизация.
Самоорганизация в классических терминах может быть описана как спонтанная и обратимая организация молекулярных единиц в упорядоченную структуру с помощью нековалентных взаимодействий. Спонтанность означает, что взаимодействия, ответственные за образование самособранной системы, проявляются в локальных масштабах, другими словами, наноструктура строит саму себя.
При определенных условиях микро- или нанообъекты сами начинают выстраиваться в виде упорядоченных структур. Противоречия с фундаментальными законами природы здесь нет — система в данном случае неизолированная, и на нанообъекты оказывается какое-то внешнее воздействие. Однако данное воздействие направлено не на конкретную частицу, как происходит при сборке «сверху вниз», а на все сразу. Вам не нужно выстраивать требуемую структуру вручную, помещая нанообъекты в требуемые точки пространства один за другим — создаваемые условия таковы, что нанообъекты делают это сами и одновременно. Процессы, использующие создание таких особых условий, называются процессами самосборки, и уже сейчас они играют важнейшую роль во многих областях науки и техники.
Для самособирающихся компонентов все, что требуется от человека — это поместить достаточное их количество в пробирку и позволять им автоматически собраться в нужные конфигурации согласно их естественным свойствам.
На сегодняшний день синтезированы двумерные и трехмерные организованные массивы нанокристаллов Pt, Pd, Ag, Au, Fe, Co, сплавов Fe-Pt, Au-Ag, наноструктур CdS/CdSe, CdSe/CdTe, Pt/Fe, Pd/Ni и т.д. Кроме того, для анизотропных наночастиц удалось добиться формирования ориентационно-упорядоченных массивов. Однородные по размеру наночастицы можно «собрать» в пространственно-упорядоченные структуры, представляющие собой одномерные «нитки», двумерные плотно упакованные слои, трехмерные массивы или «малые» кластеры. Тип организации наночастиц и структура образующегося массива зависят от условий синтеза, диаметра частиц, природы внешнего воздействия на структуру.
Сегодня известны различные методы самосборки, позволяющие получать полезные упорядоченные структуры из микрочастиц. Для создания особых условий, при которых в конкретной системе происходит самосборка, могут быть использованы гравитационное, электрическое или магнитное поле, капиллярные силы, игра на смачиваемости-несмачиваемости компонентов системы и другие приемы. В настоящее время процессы самосборки начинают активно использоваться и в производстве.
Суть явления самосборки
В современной науке имеется огромный фактический материал экспериментальных наблюдений явления самосборки. Особенно впечатляющими являются наблюдения самосборки биологических объектов, в частности работы Клуга по сборке растительных вирусов, отмеченные нобелевской премией 1982 года. Экспериментальные исследования самосборки носят преимущественно констатирующий характер и дают обширные знания о том, как это происходит. Вопрос о том, почему это происходит именно так, а не иначе - является вызовом современному естествознанию.
Рассмотрим хорошо изученный сценарий сборки вируса бактериофага Т4, описанный во всех учебниках и являющийся классическим объектом изучения самосборки. Упрощённый вариант сценария изображён на Рис. 2. В сборке участвуют 54 типа белков, которые строго в определённой последовательности агрегируются в субагрегаты различных уровней и далее субагрегаты собираются в завершённую вирусную частицу, включающую более тысячи белковых молекул. Бессмысленно моделировать этот тонко согласованный, разветвлённый иерархический процесс средствами стохастических представлений о случайно сталкивающихся молекулах.
Рисунок 2 — Сценарий сборки бактериофага Т4
Несомненно, что процесс сборки вируса детерминирован и управляем и для полного понимания этого процесса необходимо определить средства детерминации и механизмы управления. Научное мышление второй половины ХХ века было очаровано созданием компьютера и открытием системы управления синтезом белков. Обе системы идеологически идентичны и являются воплощением принципа сосредоточенного управления. Носителем сосредоточенного управления является знаковая система - линейный императивный управляющий язык. Совершенно естественно, что первые попытки математического моделирования процессов самосборки и самовоспроизведения были предприняты в рамках теории автоматов, например фон Нейман. Однако данные экспериментальных наблюдений не подтверждают состоятельность таких моделей. Процессы самосборки не укладываются в схему сосредоточенного управления.
Данные экспериментов позволяют утверждать, что в процессе самосборки отсутствует управляющий элемент и ни в какой форме не обнаруживается знаковая система, описывающая порядок следования монтажных актов или порядок расположения элементов в структуре продуктов самосборки. Специфика феномена самосборки заключается в том, что процесс несомненно детерминирован, но механизм детерминации не вписывается в простой и понятный метод сосредоточенного управления.
Самосборка есть реализация метода распределённого управления, при котором управляющие функции реализованы во внутренней структуре элементов участвующих в процессе, а управляющая информация, детерминирующая процесс, распределена по всем элементам. Следовательно, носителем детерминации при распределённом управлении являются специфические знаковые системы кардинально отличающиеся от простейших императивных линейных языков, подобных компьютерным или системе ДНК-белок. Главная задача исследования самосборки это определение логики взаимоотношений элементов и поиск знаковых систем, носителей распределённого управления.
Рассмотрим гипотетический сценарий самосборки, отвечающий требованиям реализации распределённого управления. Некоторые шаги сценария изображены на Рис.3.
Рисунок 3 — Гипотетический сценарий взаимодействия элементов
Допустим, что в сборке простейшей конструкции, трубки, участвуют молекулы двух типов шар и амфора. Мы рассматриваем только логический аспект самосборки и пока не вовлекаем в описание физико-химические основы взаимодействия. Шар и амфора &mdash это абстракции, наделённые способностью к некоторой постулированной монтажной активности. В состав элемента вводится абстракция «кодовый замок». Монтажный акт возможен только при совпадении кодов замков. Амфора и шар имеют разные кодовые замки К1 и К2, поэтому на первом шаге сборки сцепляются два шара. В результате образуется субагрегат с новым кодовым замком К2. Далее к субагрегату пристыковывается амфора, имеющая кодовый замок К2 и образуется субагрегат «зуб» с кодовым замком К3. Далее из зубов как из секторов строятся диски, а диски собираются в трубку. Для того чтобы выстроить такой сценарий необходимо постулировать процедуру элементарного акта сборки. Определим элементарный акт сборки как процедуру, состоящую из четырёх шагов:
- активирование кодового замка;
- поиск и сближение двух элементов с совпадающими кодами замков;
- срабатывание замков
- погашение их активности, образование нового кодового замка для продолжения процесса.
Таким образом, на каждом шаге сборки монтажные акты определяются состояниями кодовых замков, а выполнение монтажного акта завершается порождением нового кода и нового замка.
К настоящему моменту имеются математические инструменты, способные описывать логический аспект процессов самосборки. Потоковые продукционные системы соответствуют требованиям к знаковым системам, поддерживающим распределённое управление и могут на логическом уровне выполнять роль детерминантов процесса самосборки. Ближайшая следующая задача - это совместная работа с физхимиками и биологами по построению потоковых продукционных систем, моделирующих на логическом уровне реальные сценарии самосборки конкретных объектов. Далее последует поиск элементов потоковых продукционных систем в физико-химическом строении элементов участников самосборки. Наибольшая готовность для таких программ имеется в области исследования растительных вирусов.