Кіріспе
Бұрынғы тәртіпсіз компоненттер ұйымдасқан құрылымды немесе үлгіні қалыптастыратын процесс. Темір тотығы нанобөлшектері органикалық еріткіште (толуенде) таратылады. Олардың булануынан кейін, олар өздігінен жиналуы мүмкін (сол және оң панельдерде) микрометрлік мезокристалдарға (ортада) немесе көп қабаттарға (оң жақта) айналуы мүмкін. Сол жақтағы суреттегі әр нүкте – жоғарыдағы суретте көрсетілген дәстүрлі "атомдық" кристалл. Масштабтық штрихтар: 100 нм (сол жақта), 25 мкм (ортада), 50 нм (оң жақта). Өзін-өзі құрастыру – бұл алдын ала бар компоненттердің тәртіпсіз жүйесі, сыртқы бағытсыз, компоненттердің өзара әрекеттесуінің нәтижесінде ұйымдасқан құрылымды немесе үлгіні қалыптастыратын процесс. Құрылтайшы компоненттер молекулалар болған жағдайда, бұл процесс молекулалық өзін-өзі құрастыру деп аталады. 255px (104) бағытталған кальциттегі 2-аминотерефталь қышқылы молекулаларының өзін-өзі құрастыруының AFM суреті. Өзін-өзі құрастыру статикалық немесе динамикалық болып жіктеледі. Статикалық өзін-өзі құрастыруда жүйе тепе-теңдікке жақындағанда реттелген күй қалыптасады, бұл оның бос энергиясын төмендетеді. Дегенмен, динамикалық өзін-өзі құрастыруда, белгілі бір жергілікті өзара әрекеттесулер арқылы ұйымдастырылған бұрыннан бар компоненттердің үлгілері, тиісті салалардағы ғалымдар тарапынан көбінесе "өзін-өзі құрастырылған" деп сипатталмайды. Бұл құрылымдар көбінесе "өзін-өзі ұйымдастыру" деп сипатталады, бірақ бұл терминдер көбінесе бір-бірін алмастырып қолданылады.
[[File:Self assembly of iron oxide nanocrystals2. jpg|upright=1.2|thumb|Iron oxide nanoparticles can be dispersed in an organic solvent (toluene). Upon its evaporation, they may self assemble (left and right panels) into micron sized mesocrystals (center) or multilayers (right). Each dot in the left image is a traditional "atomic" crystal shown in the image above. Scale bars: 100 nm (left), 25 μm (center), 50 nm (right). Self assembly is a process in which a disordered system of pre existing components forms an organized structure or pattern as a consequence of specific, local interactions among the components themselves, without external direction. When the constitutive components are molecules, the process is termed molecular self assembly. 255px|thumb|right|AFM imaging of self assembly of 2 aminoterephthalic acid molecules on (104) oriented calcite. Self assembly can be classified as either static or dynamic. In static self assembly, the ordered state forms as a system approaches equilibrium, reducing its free energy. However, in dynamic self assembly, patterns of pre existing components organized by specific local interactions are not commonly described as "self assembled" by scientists in the associated disciplines. These structures are better described as "self organized", although these terms are often used interchangeably.
Химия және материалдар ғылымдарында
thumbnailright=1.2 Сол жақтағы ДНК құрылымы (схемалық түрде көрсетілген) атомдық күш микроскопиясы арқылы оң жақта көрініс тапқан құрылымға өздігінен жиналады. Классикалық мағынадағы өзін-өзі құрастыру – молекулалық бірліктердің ковалентті емес өзара әрекеттесу арқылы реттелген құрылымдарға спонтанды және қайтымды ұйымдасуы ретінде анықталады. Өзін-өзі құрастырған жүйенің осы анықтамасы ұсынатын бірінші қасиет – өзін-өзі құрастыру процесінің спонтандығы: өзін-өзі құрастырған жүйенің қалыптасуына жауапты өзара әрекеттесулер қатаң жергілікті деңгейде әрекет етеді, яғни наноқұрылым өзін-өзі салады. Өзін-өзі құрастыру көбінесе әлсіз өзара әрекеттесетін түрлер арасында жүрсе де, бұл ұйым күшті байланысқан ковалентті жүйелерге көшуі мүмкін. Мұның мысалы – полиоксиметаллаттардың өзін-өзі құрастыруы. Дәлелдерге сәйкес, мұндай молекулалар тығыз фазалық механизм арқылы құрастырылады, онда кішкентай оксометаллат иондары ерітіндіде ковалентті емес түйіндеседі, содан кейін жиналған бірліктерді ковалентті байланыстыратын конденсация реакциясы жүзеге асады. Бұл процеске қалыптасқан түрлерді бақылау үшін шаблондық заттар енгізу көмектеседі. Осылайша, жоғары ұйымдасқан ковалентті молекулалар белгілі бір тәртіппен пайда болуы мүмкін. Өзін-өзі құрастырған наноқұрылым – бұл жеке наноөлшемді объектілердің физикалық принциптерге сүйене отырып реттелуі мен жиналуының нәтижесінде пайда болатын объект. Өзін-өзі құрастыруды қозғаушы физикалық принциптің ерекше түсініксіз мысалы – энтропияны максимизациялау. Энтропия әдетте тәртіпсіздікпен байланысты болғанымен, тиісті жағдайларда өзін-өзі құрастырудың тағы бір маңызды түрі – өріс бағытталған құрастыру. Бұған электростатикалық тұтқын құбылысы мысал болады. Бұл жағдайда екі металл наноэлектродтың арасына электр өрісі қолданылады. Ортадағы бөлшектер қолданылған электр өрісімен поляризацияланады. Электр өрісі градиентімен дипольдік өзара әрекеттесу нәтижесінде бөлшектер электродтар арасындағы кеңістікке тартылады. Бұл тәсілдің әртүрлі өрістерді қолдану арқылы, мысалы, магниттік өрістерді пайдалану, интерфейсте тұтқындалған бөлшектер үшін капиллярлық өзара әрекеттесулерді пайдалану, сұйық кристалдардағы суспензияланған бөлшектер үшін серпімді өзара әрекеттесулерді пайдалану сияқты жалпыламалары да хабарланған. Өзін-өзі құрастыруды қозғаушы механизмге қарамастан, материалдарды синтездеу үшін өзін-өзі құрастыру тәсілдері қолданылады, бұл материалдарды бір-бірлеп құрастыру қажеттігінен құтылуға мүмкіндік береді. Бір-бірлеп құрастырудан аулақ болу маңызды, себебі мақсатты құрылымға құрылыс блоктарын орналастыруға кеткен уақыт макроскопиялық өлшемді құрылымдар үшін тым көп. Макроскопиялық өлшемдегі материалдар өзін-өзі құрастыра алса, олар көптеген қолданымдарда қолданылуы мүмкін. Мысалы, нано-вакуумдық кеңістіктер сияқты наноқұрылымдар энергияны сақтау және ядролық энергияны түрлендіру үшін қолданылады. Өзін-өзі құрастырылған реттелетін материалдар батареялар мен органикалық фотоэлектрлік элементтердегі үлкен беткейлі электродтар үшін, сондай-ақ микрофлюидтік сенсорлар мен сүзгілер үшін перспективалы кандидаттар болып табылады.
Another important class of self assembly is field directed assembly. An example of this is the phenomenon of electrostatic trapping. In this case an electric field is applied between two metallic nano electrodes. The particles present in the environment are polarized by the applied electric field. Because of dipole interaction with the electric field gradient the particles are attracted to the gap between the electrodes. Generalizations of this type approach involving different types of fields, e. g., using magnetic fields, using capillary interactions for particles trapped at interfaces, elastic interactions for particles suspended in liquid crystals have also been reported. Regardless of the mechanism driving self assembly, people take self assembly approaches to materials synthesis to avoid the problem of having to construct materials one building block at a time. Avoiding one at a time approaches is important because the amount of time required to place building blocks into a target structure is prohibitively difficult for structures that have macroscopic size. Once materials of macroscopic size can be self assembled, those materials can find use in many applications. For example, nano structures such as nano vacuum gaps are used for storing energy and nuclear energy conversion. Self assembled tunable materials are promising candidates for large surface area electrodes in batteries and organic photovoltaic cells, as well as for microfluidic sensors and filters.
Айырмалы белгілері
Осы сәтте, атомдар мен молекулаларды үлкен құрылымдарға, мысалы, тұнбаға біріктіретін кез келген химиялық реакцияны өздігінен жиналу деп қарастыруға болады деген пікір тууы мүмкін. Дегенмен, өздігінен жиналуды ерекше ұғымға айналдыратын кемінде үш нақты ерекшелік бар.
Кезектілігі
Біріншіден, өздігінен құрастырылған құрылымның жеке компоненттерден жоғары деңгейде ұйымдасқан болуы керек, бұл пішін немесе өздігінен құрастырылған жүйенің атқара алатын нақты міндет болуы мүмкін. Химиялық реакцияларда мұндай қағида көбінесе орындалмайды, себебі термодинамикалық параметрлерге байланысты реттелген күй тәртіпсіз күйге өтуі мүмкін.
Өзара әрекеттесулер
Өзін-өзі құрастырудың екінші маңызды аспектісі – дәстүрлі ковалентті, иондық немесе металл байланыстарға қарағанда әлсіз өзара әрекеттесулердің (мысалы, Ван дер Ваальс, капиллярлық, сутектік байланыстар немесе энтропиялық күштер) басым рөлі. Бұл әлсіз өзара әрекеттесулер материалдарды синтездеуде екі себеппен маңызды. Біріншіден, әлсіз өзара әрекеттесулер материалдарда, әсіресе биологиялық жүйелерде маңызды орын алады. Мысалы, олар сұйықтықтардың физикалық қасиеттерін, қатты денелердің ерігіштігін және биологиялық мембраналардағы молекулалардың ұйымдасуын анықтайды. Екіншіден, өзара әрекеттесудің күшінен өзге, әртүрлі дәрежедегі ерекшеліктері бар өзара әрекеттесулер өзін-өзі құрастыруды басқара алады. ДНҚ жұптасуы арқылы жүзеге асырылатын өзін-өзі құрастыру, өзін-өзі құрастыруды іске қосу үшін қолданылған ең жоғары ерекшелікке ие өзара әрекеттесу болып табылады. Ал ең төменгі ерекшелікке ие өзара әрекеттесулер энтропияны жоғарылатудан туындайтын күштермен қамтамасыз етілуі мүмкін.
Құрылыс блоктары
Өзін-өзі құрастырудың үшінші ерекшелігі – құрылыс блоктарының тек атомдар мен молекулалар ғана емес, сонымен қатар әртүрлі химиялық құрамы, функционалдығы және пішіні бар нано және мезоскопиялық құрылымдардың кең ауқымын қамтуы. Өзін-өзі құрастыратын микриттердің мүмкін болатын үш өлшемді пішіндерін зерттеу Платондық денелерді (реттелі полиэдрлерді) қарастырады. "Микрит" термині DARPA ұйымында субмиллиметрлік өлшемдегі микророботтарды білдіру үшін жасалған, олардың өзін-өзі ұйымдастыру қабілеттері шырыш саңырауқұлақтарына (slime mold) ұқсас. Жаңа құрылыс блоктарының соңғы мысалдары полиэдрлер мен жаңсақ бөлшектерді, димерлерді, дискілерді, таяқшаларды, молекулаларды, сондай-ақ мультимерлерді қамтиды. Бұл наноөлшемді құрылыс блоктары өз кезегінде дәстүрлі химиялық жолдармен немесе басқа өзін-өзі құрастыру стратегияларымен, мысалы, бағытталған энтропиялық күштер арқылы синтезделуі мүмкін. Соңғы уақыттарда кері дизайн тәсілдері пайда болды, онда мақсатты өзін-өзі құрастыру мінез-құлқын белгілеу және осы мінез-құлқын іске асыратын тиісті құрылыс блогын анықтауға болады, мүмкін, дәстүрлі емес медиация түрлерін қолдана отырып. Өзін-өзі құрастыру процесінің кинетикасы көбінесе диффузиямен байланысты, онда сіңіру/адсорбция жылдамдығы көбінесе Лангмуир адсорбция моделіне сәйкес келеді, ал диффузиямен бақыланатын концентрацияда (салыстырмалы түрде сұйытылған ерітіндіде) Фик диффузия заңдары арқылы бағалануы мүмкін. Десорбция жылдамдығы беткі молекулалардың/атомдардың байланыс күшімен және термиялық белсенділік энергиясының кедергісімен анықталады. Өсу жылдамдығы – бұл екі процесс арасындағы бәсекелестік.
Мысалдар
Материалдар ғылымында өзін-өзі құрастырудың маңызды мысалдары молекулалық кристалдар, коллоидтар, липидтік екі қабаттар, фазалық бөлінген полимерлер және өзін-өзі құрастырған моноқабаттарды қамтиды. Полипептидтік тізбектердің ақуыздарға жиналуы және нуклеин қышқылдарының функционалдық пішіндерге жиналуы – өзін-өзі құрастырған биологиялық құрылымдардың мысалдары. Жақында дифенилаланин туындысының криожағдайларда өзін-өзі құрастыру арқылы үш өлшемді макропорозды құрылым алынды, нәтижедегі материал жаңару медицинасы немесе дәрі жеткізу жүйесі саласында қолданылуы мүмкін. П. Чен және авторлар тобы Фарадей толқынымен құрылған ауа-сұйық шекарасын қалып ретінде пайдаланатын микродеңгейдегі өзін-өзі құрастыру әдісін көрсетті. Бұл өзін-өзі құрастыру әдісі гидрогельдер, жасушалар және жасуша шарлары сияқты микродеңгейдегі материалдардан әртүрлі симметриялық және периодтық үлгілер жасау үшін қолданылуы мүмкін. Ясуга және авторлар сұйық интерфейстік энергияның микробағандарда үш өлшемді периодтық құрылымдардың пайда болуын қалай қозғайтынын көрсетті. Myllymäki және авторлар мицеллалардың пайда болуын көрсетті, олардың морфологиясы еріткіштің өзгеруімен бақылана отырып, талшықтарға және соңында шарларға өзгереді.
Қасиеттері
Өзін-өзі құрастыру химияның саласын кеңейтеді, реттілік және функционалдық қасиеттері бар өнімдерді синтездеуге бағытталған, химиялық байланыстарды әлсіз өзара әрекеттесулерге дейін ұзартады және барлық масштабтардағы наноқұрылымдық құрылыс блоктарының өзін-өзі құрастыруын қамтиды. Ковалентті синтез және полимерлеу кезінде ғалым атомдарды кез келген қажетті конформацияда байланыстырады, бұл энергиялық тұрғыдан ең қолайлы болуы міндетті емес; ал өзін-өзі құрастыратын молекулалар термодинамикалық минимумдағы құрылымды қабылдайды, суббірліктер арасындағы өзара әрекеттесудің ең жақсы комбинациясын табады, бірақ олардың арасында ковалентті байланыстар жасамайды. Өзін-өзі құрастыру құрылымдарында ғалым атомдарды тікелей орналастырудың орнына, осы минимумды болжауы керек. Дерлік барлық өзін-өзі құрастырылған жүйелерге тән тағы бір ерекшелік – олардың термодинамикалық тұрақтылығы. Сыртқы күштердің араласуынсыз өзін-өзі құрастыру процесі төмендегі Гиббс еркін энергиясына әкелуі керек, сондықтан өзін-өзі құрастырылған құрылымдар құрастырылмаған компоненттерге қарағанда термодинамикалық тұрақтырақ болады. Бұл тікелей салдары – өзін-өзі құрастырылған құрылымдардың ақауларға төмен сезімталдығының жалпы тенденциясы. Мысалы, микросфераларды қамтитын ерітіндіден басталатын, микрометрлік өлшемдегі полиметилметакрилат (PMMA) сфераларының реттелген орналасуынан тұратын екі өлшемді суперрешеттердің қалыптасуын қарастыруға болады, онда еріткіштің қолайлы жағдайларда баяу булануына рұқсат етіледі. Бұл жағдайларда капиллярлық өзара әрекеттесу қозғаушы күш болып табылады, ол сұйықтың бетіне жүзетін немесе су астында қалған бөлшектердің болуынан туындайтын деформациядан пайда болады. Осы екі қасиет – әлсіз өзара әрекеттесулер және термодинамикалық тұрақтылық – өзін-өзі құрастырылған жүйелерде жиі кездесетін басқа да қасиетті түсіндіруге көмектеседі: сыртқы ортаның шағын бұзылыстарына сезімталдық. Бұл термодинамикалық айнымалыларды өзгертетін, құрылымдағы айқын өзгерістерге және тіпті өзін-өзі құрастыру кезінде немесе одан кейін оның бұзылуына әкелетін шағын ауытқулар. Өзара әрекеттесулердің әлсіз табиғаты архитектураның икемділігін қамтамасыз етеді және термодинамикамен анықталатын бағытта құрылымның қайта құрылуына мүмкіндік береді. Егер бұзылыстар термодинамикалық айнымалыларды бастапқы жағдайға қайтарса, құрылым бастапқы конфигурациясына оралуы мүмкін. Бұл бізді өзін-өзі құрастырудың тағы бір қасиетін анықтауға жетелейді, ол басқа әдістермен синтезделген материалдарда байқалмайды: қайтымдылық. Өзін-өзі құрастыру процесі сыртқы параметрлерге оңай әсер етеді. Бұл синтезді күрделі етеді, өйткені көптеген еркін параметрлерді басқару қажет. Дегенмен, өзін-өзі құрастырудың артықшылығы – әртүрлі пішіндер мен функцияларды алу мүмкіндігі, олар көптеген масштабтарда көрінеді. Наноқұрылымдық құрылыс блоктарының реттелген құрылымға өзін-өзі құрастыруы үшін қажетті негізгі шарт – ұзақ қашықтықтағы керітетін және қысқа қашықтықтағы тартымды күштердің бір мезгілде болуы. Физикалық-химиялық қасиеттері қолайлы прекурсорларды таңдау арқылы күрделі құрылымдарды тудыратын қалыптасу процестерін дәл басқаруға болады. Материалдың синтез стратегиясын жобалаудағы ең маңызды құрал – құрылыс блоктарының химиясын білу. Мысалы, маггемит нанобөлшектерін іріктеп ендіру және толқын жетектері ретінде қолдануға болатын мерзімді материалдарды жасау үшін әртүрлі блоктардың реакциялық қабілетіне ие диблокты сополимерлерді пайдалану мүмкін екені көрсетілді. 2008 жылы барлық өзін-өзі құрастыру процесі ко-құрастыруды қамтиды деген ұсыныс жасалды, бұл бұрынғы терминнің дұрыс еместігін көрсетеді. Бұл тезис өзін-өзі құрастыру жүйесі мен оның ортасының өзара ретке келтіру концепциясына негізделген.
Макроскопиялық масштабта
Макроскопиялық масштабта өзін-өзі құрастырудың ең көп таралған мысалдары газдар мен сұйықтықтардың арасындағы интерфейстерде көрінеді, онда молекулалар тік бағытта наноөлшемде шектеліп, көлденең бағытта ұзақ қашықтыққа таралуы мүмкін. Газ-сұйықтық интерфейстерінде өзін-өзі құрастырудың мысалдарына дем фигуралары, өзін-өзі құрастырған моноқабаттар, тамшылардың топтамалары және Лангмуир-Блодгет пленкалары жатады, ал фуллерен балдырмаларының кристалдануы екі сұйықтық арасындағы макроскопиялық өзін-өзі құрастырудың мысалы болып табылады. Макроскопиялық өзін-өзі құрастырудың тағы бір керемет мысалы – ауа-сұйықтық интерфейсінде жұқа квазикристаллдардың пайда болуы, оларды тек органикалық емес, сонымен қатар органикалық молекулалық бірліктер құрай алады. Сонымен қатар, Fmoc қорғалған L-DOPA аминқышқылы (Fmoc DOPA) минималды супермолекулалық полимерлік модельді ұсынатыны, метатұрақты шарлардан фибриллярлық жиынтықтарға, гель тәрізді материалға және, әрі қарай, жеке кристалдарға спонтанды құрылымдық өтуге қабілетті екені хабарланды. Өзін-өзі құрастыру процестерін макроскопиялық құрылыс блоктары жүйелерінде де байқауға болады. Бұл құрылыс блоктары сыртқы күшпен немесе өздігінен қозғала алады. 1950 жылдан бері ғалымдар сантиметрлік өлшемдегі компоненттерден бастап, пассивті механикалық бөліктерге дейін, мобильді роботтарға дейін құрастыратын өзін-өзі құрастыру жүйелерін жасады. Мұндай масштабтағы жүйелерде компоненттердің дизайнын дәл бақылауға болады. Кейбір жүйелер үшін компоненттердің өзара әрекеттесу қалаулары бағдарламалана алады. Өзін-өзі құрастыру процестерін компоненттердің өзі немесе сыртқы бақылаушылар оңай бақылап, талдай алады. 2014 жылдың сәуір айында 3D-баспадан жасалған пластик судың ішінде өзін-өзі құрастыратын "ақылды материалмен" біріктіріліп, "4D-баспа" жасалды.
Өзін-өзі ұйымдастыру және өзін-өзі құрастырудың бірізді тұжырымдамалары
Адамдар "өзін-өзі ұйымдастыру" және "өзін-өзі құрастыру" терминдерін көбінесе бірін-бірі алмастырып қолданады. Алайда, күрделі жүйелер ғылымы кеңінен танымал бола бастағандықтан, физикалық және биологиялық жүйелердегі маңыздылығын түсіну үшін екі механизмнің арасындағы айырмашылықты нақты ажырату қажеттілігі артып келеді. Екі процесс те ұжымдық тәртіптің "динамикалық, ұсақ масштабты өзара әрекеттесулерден" қалай пайда болатынын түсіндіреді. Өзін-өзі ұйымдастыру – тепе-теңдікке жатпайтын процесс, ал өзін-өзі құрастыру – тепе-теңдікке қарай спонтанды түрде жүзеге асатын процесс. Өзін-өзі құрастыру процесінде компоненттердің өзгеруі болмайды. Екі процестің арасындағы термодинамикалық айырмашылықтан өзге, олардың қалыптасуы да әртүрлі. Бірінші айырмашылық – өзін-өзі құрастыруда "бүкіл жүйенің жаһандық тәртібін кодтау" қажет, ал өзін-өзі ұйымдастыруда мұндай бастапқы кодтау қажет емес. Тағы бір айырмашылық – тәртіп құру үшін қажетті ең аз бірлік саны. Өзін-өзі ұйымдастыру үшін белгілі бір ең аз бірлік саны қажет, ал өзін-өзі құрастыру үшін қажет емес. Бұл ұғымдар табиғи іріктеумен байланыста ерекше қолданылуы мүмкін. Соңында, бұл үлгілер табиғаттағы үлгілердің қалыптасуының біртұтас теориясын құруы мүмкін.