Auto-asamblare

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Imagine STM a lanțurilor supramoleculare auto-asamblate ale quinacridonei semiconductoare organice pe grafit .

Auto-asamblarea este un termen folosit pentru a descrie procesele în care un sistem dezordonat de componente preexistente formează o structură organizată sau un model ca rezultat al interacțiunilor locale specifice între componentele în sine, fără o direcție externă.

Auto-asamblarea poate fi clasificată ca statică sau dinamică. În autoasamblarea statică , starea ordonată se formează ca un sistem care se apropie de echilibru , reducându-i energia liberă . Cu toate acestea, în auto-asamblare dinamică , modelele componente preexistente organizate prin interacțiuni locale specifice nu sunt descrise în mod obișnuit ca „auto-asamblate” de oamenii de știință din disciplinele asociate. Aceste structuri sunt mai bine definite ca „autoorganizate”.

Auto-asamblare în chimie și știința materialelor

Auto-asamblarea (AS) în sens clasic poate fi definită ca organizarea spontană și reversibilă a unităților moleculare în structuri ordonate prin interacțiuni non- covalente . Prima proprietate a unui sistem auto-asamblat pe care o sugerează această definiție este spontaneitatea procesului de auto-asamblare: interacțiunile responsabile de formarea sistemului auto-asamblat acționează la un nivel strict local - cu alte cuvinte, nanostructura se construiește singură .

Caracteristici distinctive

În acest moment, se poate argumenta că o reacție chimică, cum ar fi precipitațiile , care determină asamblarea atomilor și moleculelor în structuri mai mari, ar putea intra în categoria AS. Cu toate acestea, există cel puțin trei aspecte distinctive care fac din AS un concept distinct.

Ordin

În primul rând, structura auto-asamblată trebuie să aibă o ordine mai mare decât componentele izolate, indiferent dacă este vorba de o anumită formă sau sarcină pe care entitatea auto-asamblată o poate îndeplini. Acest lucru nu este în general adevărat în reacțiile chimice , în care o stare ordonată poate continua spre o stare dezordonată în funcție de parametrii termodinamici.

Interacțiuni

Al doilea aspect important al AS este rolul cheie al interacțiunilor slabe (de exemplu, Van der Waals , capilare , , legături de hidrogen ) în ceea ce privește legăturile metalice mai „tradiționale”, non-covalente sau ionice . Deși sunt de obicei mai puțin energice cu un factor de 10, aceste interacțiuni slabe joacă un rol important în sinteza materialelor. Poate fi instructiv să observăm că interacțiunile slabe au un loc proeminent în materiale, în special în sistemele biologice, chiar dacă acestea sunt adesea considerate marginal comparate cu interacțiunile „puternice” (de exemplu, covalente etc.). De exemplu, ele determină proprietățile fizice ale lichidelor, solubilitatea solidelor, organizarea moleculelor din membranele biologice.

Particulele elementare

A treia caracteristică distinctivă a AS este că particulele elementare nu sunt doar atomi și molecule, ci cuprind o gamă largă de structuri nanoscopice și mezoscopice , cu diferite compoziții chimice, forme și funcții. La rândul lor, aceste blocuri de construcție la scară nano (NBB ) pot fi sintetizate prin căi chimice convenționale sau prin intermediul altor strategii.

Exemple

Exemple importante de AS în știința materialelor includ formarea de cristale moleculare, coloizi , bistraturi lipidice , polimeri cu fază separată și monostraturi auto-asamblate . [1] [2] Plierea lanțurilor polipeptidice și plierea acizilor nucleici în formele lor funcționale sunt exemple de structuri biologice auto-asamblate.

Proprietate

Astfel, putem spune că AS extinde domeniul chimiei pentru a sintetiza produse cu proprietăți de ordine și funcționalitate care extind legăturile chimice la interacțiuni slabe și că include auto-asamblarea NBB-urilor pe toate scale de lungime. [3] În sinteza și polimerizarea covalentă, oamenii de știință leagă atomii împreună în orice conformație dorită, care nu trebuie neapărat să fie cea mai defavorizată poziție energetică; moleculele auto-asamblate, pe de altă parte, adoptă o structură minimă termodinamică, găsind cea mai bună combinație de interacțiuni între subunități, fără a forma legături covalente între ele. În structurile de auto-asamblare, omul de știință trebuie să prezică această valoare minimă și nu doar să plaseze atomii în poziția dorită.

O altă caracteristică comună aproape tuturor sistemelor auto-asamblate este stabilitatea lor termodinamică . Pentru ca AS să aibă loc fără intervenția forțelor externe, procesul trebuie să conducă la o energie liberă Gibbs mai mică, astfel încât structurile auto-asamblate sunt termodinamic mai stabile decât componentele unice, neasamblate. O consecință directă este tendința generală a structurilor auto-asamblate de a fi relativ fără defecte. Un exemplu este formarea de superrețele bidimensionale compuse dintr-un aranjament ordonat de sfere de polimetilmetacrilat (PMMA), pornind de la o soluție care conține microsfere, în care solventul este lăsat să se evapore lent în condiții adecvate. În acest caz, forța motrice este interacțiunea capilară, care apare din deformarea suprafeței unui lichid cauzată de prezența particulelor plutitoare sau scufundate. [4]

Aceste două proprietăți - interacțiuni slabe și stabilitate termodinamică - pot fi invocate pentru a raționaliza o altă proprietate, adesea întâlnită în sistemele auto-asamblate: sensibilitatea la perturbații exercitate prin intermediul mediului extern. Acestea sunt mici fluctuații care modifică variabilele termodinamice care ar putea marca modificări în structură și chiar să o compromită, în timpul sau după AS. Natura slabă a interacțiunilor este responsabilă pentru flexibilitatea arhitecturii și permite noi aranjamente ale structurii în direcția determinată prin intermediul termodinamicii. Dacă fluctuațiile readuc variabilele termodinamice înapoi la starea lor inițială, este probabil ca structura să revină la configurația sa inițială. Acest lucru ne determină să identificăm încă o proprietate a AS, care în general nu este detectată în materialele sintetizate prin alte tehnici: reversibilitatea .

Din ceea ce am scris până acum, ar trebui să fie evident că AS este un proces care este ușor influențat de parametrii externi: dacă acest lucru poate face sinteza mai problematică datorită numeroșilor parametri liberi care necesită control, pe de altă parte are promițătoarea avantajul de a putea obține o mare varietate de forme și funcții pe multe scale de lungime. [5]

În general, condiția fundamentală necesară care permite NBB-urilor să se asambleze într-o structură ordonată este prezența simultană a forțelor de respingere pe distanțe lungi și a forțelor de atracție pe distanțe scurte. [6] Figura [fig_sa_scheme] exemplifică AS deoarece apare cu particule elementare compuse din două unități diferite (A și B), legate covalent (atracție de rază scurtă) și respingându-se reciproc cu interacțiuni de rază lungă (de exemplu, deoarece A este hidrofob și B este hidrofil). Deoarece energia sistemului este nefavorabilă configurațiilor, unde A este aproape de B și încă nu este posibilă separarea macrofazelor datorită legăturilor covalente AB, sistemul va adopta o configurație în care zona de contact dintre A și B este redusă la minimum.

Rezultatul este o structură periodică ordonată (în figura [fig_sa_scheme] aceasta este exemplificată de o structură lamelară). Pentru o listă a forțelor de atracție respingătoare concurente care pot da naștere fenomenelor AS [5] .

Alegând precursori cu proprietăți fizico-chimice adecvate, este posibil să se exercite un control bun asupra proceselor de formare care produc structuri complexe. În mod clar, cel mai important instrument atunci când vine vorba de proiectarea unei strategii de sinteză pentru un material este cunoașterea chimiei unităților de construcție.

Concepte privind auto-organizarea și auto-asamblarea

Autoorganizarea și auto-asamblarea sunt utilizate în mod regulat în mod interschimbabil. Pe măsură ce știința sistemului complex devine din ce în ce mai populară, există o nevoie mai mare de a distinge clar diferențele dintre cele două mecanisme pentru a înțelege semnificația lor în sistemele fizice și biologice. Ambele procese explică modul în care ordinea colectivă este dezvoltată prin „interacțiuni dinamice la scară mică”, conform unui articol publicat în noiembrie / decembrie 2008 despre complexitate. [7] Autoorganizarea este un proces de neechilibru în care autoasamblarea este un proces spontan care duce la echilibru. Autoasamblarea necesită ca componentele să rămână esențial neschimbate pe tot parcursul procesului. Pe lângă diferența termodinamică dintre cele două, există și o diferență în formație. Prima diferență este ceea ce „codifică ordinea globală ca un întreg” în auto-asamblare, unde, ca și în auto-organizare, aceste codificări inițiale sunt inutile. Un alt contrast ușor se referă la numărul minim de unități necesare pentru a forma o comandă. Autoorganizarea pare să aibă un număr minim de unități în care autoasamblarea nu are. Acești termeni sunt din ce în ce mai necesari cu cât se învață mai mult despre selecția naturală. În cele din urmă, aceste modele pot forma o teorie cu privire la formarea tiparelor naturale. [8]

Notă

  1. ^ (EN) Whitesides, GM, Boncheva, M., Dincolo de molecule: auto-asamblare a componentelor mezoscopice și macroscopice , în PNAS, vol. 99, 2002, p. 4769, DOI : 10.1073 / pnas.082065899 .
  2. ^ (EN) Whitesides, George M., Kriebel, Jennah K.; Love, J. Christopher, Ingineria moleculară a suprafețelor folosind monostraturi auto-asamblate , în Science Progress , vol. 88, 2005, pp. 17–48, DOI : 10.3184 / 003685005783238462 .
  3. ^ (EN) Ozin și Arsenault,Nanochimie: o abordare chimică a nanomaterialelor , Cambridge: Societatea Regală de Chimie, 2005.
  4. ^ (EN) Denkov, N., Mecanismul formării cristalelor bidimensionale din particule de latex pe substraturi , în Langmuir, vol. 8, 1992, p. 3183, DOI : 10.1021 / la00048a054 .
  5. ^ A b (EN) Lehn, Jm, Către autoorganizare și materie complexă. , în Știință (New York, NY) , vol. 295, nr. 5564, mar 2002, pp. 2400–3, DOI : 10.1126 / science. 1071063, ISSN 0036-8075 ( WC ACNP ) , PMID 11923524 .
  6. ^ (EN) Forster, Paul M., <457 :: AID-ANIE457> 3.0.CO; 2-W-Open Framework Nickel Succinate, [Ni7 (C4H4O4) 6 (OH) 2 (H2O) 2] ⋅2 H2O: Un nou material hibrid cu conectivitate tridimensională Ni - O - Ni , în Angewandte Chemie International Edition , vol. 41, 2002, p. 457, DOI : 10.1002 / 1521-3773 (20020201) 41: 3 <457 :: AID-ANIE457> 3.0.CO; 2-W .
  7. ^ (EN) www3.interscience.wiley.com, http://www3.interscience.wiley.com/journal/121358448/abstract?CRETRY=1&SRETRY=0
  8. ^ (EN) Halley, JD, Winkler, DA, Concepte consistente de autoorganizare și auto-asamblare , în Complexitate, vol. 14, 2008, p. 10, DOI : 10.1002 / cplx.20235 .

Elemente conexe

Alte proiecte

Legături externe și lecturi suplimentare

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Auto-assemblaggio&oldid=118752465 ”