Pašsakārtošanās

Nb₃O₇(OH) mikrokristāliņu pašsakārtošanās hidrotermālās sintēzes laikā pie 200 °C

Pašsakārtošanās ir process, kurā haotiska sistēma izveido organizētu struktūru sistēmas elementu noteiktas savstarpējās mijiedarbības dēļ, bez ārējas ietekmes. Ja sistēmas elementi ir molekulas, tad procesu sauc par molekulāro pašsakārtošanos.

Pašsakārtošanos var iedalīt divos veidos — statiskajā un dinamiskajā. Statiskās pašsakārtošanās gadījumā elementi izveido struktūru, sistēmai tiecoties uz līdzsvara stāvokli. Taču dinamisko pašsakārtošanos tipiski mēdz saukt citā vārdā — par pašorganizāciju, lai uzsvērtu atšķirību. Dinamiskā pašsakārtošanās ir stabilu stāvokļu rašanās gadījumos, kad sistēma nav līdzsvarā, un tie var pastāvēt tikmēr, kamēr sistēmai tiek pievadīta enerģija, kas tai ļauj atrasties ārpus līdzsvara.

Pašsakārtošanās ķīmijā un materiālzinātnē

Pašsakārtošanos var definēt kā spontānu un atgriezenisku molekulāru vienību sakārtošanos struktūrās ar nekovalentām mijiedarbībām. Šāda definīcija norāda uz to, ka pašsakārtošanās ir spontāns process — mijiedarbības, kas nosaka sakārtošanos, ir strikti lokālas, un sistēma uzbūvē pati sevi.

Pašsakārtošanās ir nozīmīgs instruments materiālu sintēzē. Mākslīgi izveidot kristālisku struktūru, novietojot atomu pie atoma, ir ārkārtīgi sarežģīti, taču pašsakārtotus kristālus izveidot ir vienkārši (tie izveidojas paši). Līdzīgi ir ar trīsdimensionālām nanostruktūrām — mehāniski tās izveidot ir sarežģīti, taču ļaut tām pašsakārtoties ir lēts un vienkāršs veids, kā šādas struktūras iegūt.

Raksturīgās īpašības

Balstoties tikai uz pašsakārtošanās definīciju, var uzskatīt, ka jebkura ķīmiska reakcija, kuras rezultātā atsevišķi atomi vai molekulas sakārtojas lielākās struktūrās (piemēram, vielai kondensējoties), būtu pašsakārtošanās. Tomēr ir atsevišķas īpašības, kas pašsakārtošanos nodala no citiem procesiem.

Kārtība

Struktūrai, kas radusies pašsakārtošanās ceļā, jābūt ar augstāku kārtību nekā atsevišķajām komponentēm — vai pēc formas, vai uzdevuma, ko tā spēj veikt. Ķīmijā nereti notiek arī pretēji procesi — pie noteiktiem termodinamiskajiem parametriem viela var ieņemt arī mazāk sakārtotu stāvokli, nekā tai bija pirms reakcijas.

Mijiedarbības

Pašsakārtošanās iezīme ir vājo mijiedarbību (piemēram, van der Vālsa spēku, kapilāro efektu, ūdeņraža saišu) nozīmīga ietekme attiecībā pret "tipiskajām" kovalentajām, jonu vai metāliskajām saitēm. Vājās mijiedarbības spēlē lielu lomu materiālu sintēzē. Tās nosaka, piemēram, šķidrumu fizikālās īpašības, cietu vielu šķīdību un molekulu izkārtošanos bioloģiskās membrānās. Lai pašsakārtošanās notiktu, nepieciešams, ka reizē darbojas gan tālas darbības atgrūšanās spēki, gan tuvdarbības pievilkšanās spēki.

Pamatelementi

Trešā raksturīgā īpašība pašsakārtošanās procesam ir tāda, ka tas var notikt ne tikai ar atomiem un molekulām, bet arī ar dažādiem nano- un mezoskalas objektiem. Lai izprastu dažādu lielāku struktūru veidošanos, tiek pētīti tieši šie pamatelementi, kuri var būt daudzstūri, stienīši, dimēri, puslodes formas, diska formas, u.c. Šādus pamatelementus iespējams sintezēt mākslīgi.

Īpašības

Pašakārtošanās ir process, kurā elementi, kas to izpilda, ieņem termodinamiski izdevīgāko pozīciju, pretstatā kovalentajai sintēzei un polimerizācijai, kurās ir iespējams atomus novietot vēlamajā pozīcijā pat tad, ja tas nav enerģētiski izdevīgākais stāvoklis. Pašsakārtošanās laikā pamatvienības ieņems izdevīgāko savstarpējo stāvokli, un tas jāņem vērā, veicot sintēzi, balstoties uz pašsakārtošanos.

No iepriekšējās īpašības izriet tas, kas pašsakārtotas sistēmas ir termodinamiski stabilas. Lai sakārtošanās notiktu bez ārēji pieliktas mijiedarbības, procesa beigās sistēmai jānonāk zemākā Gibsa brīvās enerģijas stāvoklī. Līdz ar to pašsakārtota sistēma ir termodinamiski stabilāka par atsevišķām komponentēm, kas to veido. Tiešas sekas ir tas, ka pašsakārtotas struktūras tipiski ir brīvas no strukturāliem defektiem.

Pašsakārtotas sistēmas ir jutīgas pret ārējām perturbācijām. Fluktuācijas, kas pamaina sistēmas termodinamiskos parametrus, var ietekmēt rezultējošo sistēmu, vai pat sagraut to. Pateicoties tam, ka mijiedarbības, kas nosaka pašsakārtoto sistēmu, ir vājas, sistēma ir elastīga pret izmaiņām un spēj ieņemt jaunu stāvokli, kas ir izdevīgs pie jaunā termodinamiskā stāvokļa. Taču, ja termodinamiskos parametrus atgriež iepriekšējās vērtībās, sistēma visbiežāk atgriežas stāvoklī, kādā tā bija iepriekš. Tas nozīmē, ka pašsakārtotas sistēmas ir atgriezeniskas, kas nav raksturīgi materiāliem, kas sintezēti ar citām metodēm.

Pašsakārtošanās ir process, kura norisi stipri ietekmē ārējā vide. No vienas puses, tas sarežģī materiālu sintēzi, jo var būt daudz brīvo parametru, kuru nemainība jānodrošina sintēzes laikā. Taču tas paver arī daudzpusējas iespējas iegūt dažādas vēlamas struktūras, jo pašsakārtotā sistēma ir tik jutīga pret ārēju mijiedarbi. Izvēloties pareizus iedīgļus ar atbilstošām fizikāli-ķīmiskām īpašībām, ir iespējams iegūt labu kontroli pār pašsakārtošanās procesu, rezultātā iegūstot sarežģītas struktūras. Zinot pamatelementu ķīmiskās īpašības, iespējams paredzēt, kā tās uzvedīsies, un iegūt dažādas interesantas struktūras.

Piemēri

Vispārīgā gadījumā, domājot par praktiskiem pašsakārtošanās pielietojumiem, ir trīs praktiskas problēmas, kuras vajag risināt. Pirmā no tām ir spēt paredzēt, kāda sistēmas izveidosies pie dotiem pamatelementiem, to mijiedarbībām un vides, kurā tie atrodas - respektīvi, paredzēt, kā sakārtosies noteikta sistēma. Otra problēma ir apgriezta - ir noteikta struktūra, ko nepieciešams iegūt, bet jāpiekārto pareizie elementi, vide un mijiedarbības starp tiem. Savukārt trešā problēma saistās ar faktu, ka pašsakārtošanās savā būtība ir varbūtisks, nejaušs process - pieļaujot, ka sistēmai pastāv vairāki lokāli stabili stāvokļi, atsevišķas sistēmas daļas var stabilizēties dažādos stāvokļos. To, kādi tie ir un cik daudz elementu nostāsies katrā stāvoklī, nepieciešams paredzēt.

Ilustratīvs piemērs ir diskveida magnētiņi, kas atrodas lielākā traukā - trauku kratot, magnētiņi izvirzās un sāk ar galiem savienoties kopā. Rezultātā izveidojas dažāda garuma ķēdes. Šajā problēmā izpaužas visas trīs pamatproblēmas - paredzēt, kādas ķēdes iegūst, ja noteiktā veidā krata trauku, atrast nepieciešamo magnētu izvietojumu un kratīšanas veidu, lai iegūtu vēlamā garuma ķēdes un, visbeidzot, prognozēt, cik daudz katra garuma ķēdīšu izveidosies pie noteiktas magnētu kratīšanas.

Svarīgi pašsakārtošanās piemēri materiālzinātnē ir molekulāro kristālu un koloīdu veidošanās, lipīdu dubultslānis, polimēri ar atdalītām fāzēm un pašsakārtoti monoslāņi. Bioloģijā būtiski piemēri ir polipeptīdu ķēdes salocīšanās, lai veidotu proteīnus, un nukleīnskābju sakārtošanās to funkcionālajās formās. Pašsakārtošanos var izmantot arī kā metodi, lai veidotu jaunus materiālus —piemēram, iespēja izveidot simetriskus un periodiskus režģus ir noderīga, veidojot hidrogelu vai šūnu tīklu.

Pašsakārtošanās ietekmē rodas arī tā saucamie superrežģi. Piemērs ir divdimensionāla superrežģa sintēze no polimetilmetakrilāta (PMMA) sfērām, kas sākotnēji ir izvietotas šķidrumā, ko pakāpeniski iztvaicē. Kapilārie spēki diktē sfēru pašsakārtošanos režģī, šķidrumam pametot sistēmu.

Pašstabilitāte

Ar pašsakārtošanos saistīts process ir pašstabilitāte — tā ir dinamisku pašsakārtojošu sistēmu īpašība, kurām piemīt stabils stāvoklis. Šādu sistēmu makroskopiskai formai piemīt mēroga invariance, kas raksturīga noteiktajai pašstabilajai sistēmai — proti, jebkurā telpas mērogā sistēmas stabilais stāvoklis ir viens un tas pats. Piemērs pašstabilai sistēmai ir smilšu grēda — tās nobiras leņķis vienmēr ir vienāds neatkarīgi no grēdas izmēra. Būtiska īpašība ir tāda, ka sistēma pati nonāk šādā stāvoklī — nav nepieciešams atrast speciālus parametrus, pie kuriem varētu panākt nepieciešamo uzvedību (no šejienes paš-stabilitāte). Šīs īpašības dēļ pašstabilitāte tiek uzskatīta par vienu no ticamākajiem dabas komplekso struktūru un sistēmu avotiem.

Pašstabilitāte ir daudz pētīts fenomens kopš 20. gadsimta beigām. Tā ir pamatā vairāku fenomenu skaidrojumiem ģeofizikā, kosmoloģijā, bioloģijā (it sevišķi evolūcijas teorijas kontekstā), ekoloģijā, ekonomikā, kvantu gravitācijā, plazmas fizikā u.c.

Termini "pašsakārtošanās" un "pašorganizēšanās"

Pašlaik literatūrā viena un tā paša procesa norisei lieto divus terminus - pašsakārtošanās un pašorganizēšanas. Taču, kompleksu sistēmu pētniecībai kļūstot arvien populārākai, rodas nepieciešamība precizēt abu terminu atšķirīgās nozīmes, lai saprastu katra procesa lomu fizikālās un bioloģiskās sistēmās. Abi procesi skaidro, kā rodas augstāka kārtību no dinamiskām mazu izmēru skalas mijiedarbībām. Pašorganizācija ir process, kas notiek nelīdzsvara stāvoklī, taču pašsakārtošanās ir spontāns process, kas noved uz līdzsvaru. Abi procesi, tātad, ir termodinamiski atšķirīgi. Turklāt pašorganizācijas procesam ir nepieciešams minimālais skaits ar elementiem, taču pašsakārtošanās procesam minimālā skaita nav. Pašsakārtošanās un pašorganizācijas konceptiem var būt liela nozīme dabiskās atlases skaidrošanā, un šie procesi var veidot kopēju teoriju par regulāru struktūru rašanos dabā.