Samoorganizacja aktywnie zmieniających się cząstek
Wykorzystanie wrodzonej zdolności przyrody do samoorganizacji, tj. tworzenie produktów wielkości nano, które budują się samodzielnie z rekonfigurowalnych i adaptacyjnych elementów budulcowych, jest dla inżynierów czymś w rodzaju Świętego Graala. Większość badań koncentruje się na komponentach o kształtach i interakcjach, które nie zmieniają się w procesie organizacji (tj. pozostają statyczne). Wspierani przez UE naukowcy, którzy zainicjowali projekt "Active self-assembly" (ACTSA), usiłują przesunąć granice, aby lepiej zrozumieć aktywną samoorganizację dzięki badaniom teoretycznym, symulacjom komputerowym i eksperymentom. Najgęstszy sposób pakowania obiektów w przestrzeni, znany także jako problem pakowania, intryguje uczonych i filozofów od tysięcy lat. W dzisiejszych czasach pakowanie jest elementem rozmaitych systemów w rozmaitych skalach długości, od baterii i katalizatorów po samoorganizację nanocząstek, koloidów i biocząsteczek. Mimo że tak wiele właściwości systemów zależy od upakowania komponentów o różnym kształcie, nadal nie posiadamy ogólnej wiedzy o tym, jak pakowanie różni się jako funkcja kształtu cząstki. W tym projekcie przeprowadzono obszerne badania nad kwestią zależności upakowania od kształtu, przyglądając się pakowaniu ponad 55 000 obiektów wielościennych. Uzyskane w rezultacie plany powierzchni gęstości mogą służyć do prowadzenia eksperymentów, w których kształt i pakowanie wykorzystywane są w ten sam sposób, w jaki nieodzowne diagramy fazy wykorzystywane są w chemii. Właściwości kształtu cząstek w istocie ujawniają, dlaczego możliwa jest organizacja pewnych kryształów czy też przemiana między innymi, podczas gdy inne prowadzą do kinetycznych pułapek. Entropia moduluje uporządkowanie cząstek i zachowanie fazowe koloidów (cząstek jednej substancji rozproszonych w innej). W projekcie ACTSA dokonano kwantyfikacji kierunkowych sił entropicznych, które mają tendencję do osiowania cząstek sąsiadujących. Przede wszystkim stworzono ramy do kwantyfikacji roli kształtu w pakowaniu i samoorganizacji w systemach eksperymentalnych, w których inne siły przyczyniają się do porządkowania. Na zakończenie zademonstrowano, że mechanizm ten pojawia się w rozmaitych systemach. Badacze przyjrzeli się także zjawisku występującemu w systemach cząstek wirowych, które nieustannie podlegają wewnętrznemu momentowi obrotowemu w kierunku zgodnym lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Pokazali, że aktywny ruch inaczej niewchodzących w interakcję ciał sztywnych wywołuje skuteczną interakcję, która sprzyja rotacji w tym samym kierunku. Może to prowadzić do samoorganizacyjnych i kooperatywnych zachowań, które nie mają racji bytu w systemach równowagi (bez aktywności). Wyniki zostały dotychczas opisane w trzech publikacjach. Oczekuje się, że projekt znacznie przyczyni się do wyjaśnienia sił, które napędzają samoorganizację w systemach cząstek wchodzących w kompleksową interakcję. To z kolei powinno pomóc inżynierom i projektantom w tworzeniu nowych systemów materiałowych o zdolnościach biomimetycznej samoorganizacji na potrzeby nowej ery urządzeń nano.
Słowa kluczowe
Samoorganizacja, cząstki, biomedycyna, materiałoznawstwo, siły entropiczne
