О ПОНЯТИЯХ «САМОСБОРКА» И «САМООРГАНИЗАЦИЯ»

Извлечено из статьи «Самосборка наночастиц в микрообъеме коллоидного раствора: физика, моделирование, эксперимент».

Авторы: П.В. Лебедев-Степанов, Р.М. Кадушников, С.П. Молчанов, А.А. Иванов, В.П. Митрохин, К.О. Власов,

Н.А. Рубин, Г.А. Юрасик, В.Г. Назаров, М.В. Алфимов.

Источник: www.photonics.ru › files › editors › Doc › 149-297-pages.

Термин «самоорганизация» (англ. — self-organization) возник исторически раньше, чем появилось понятие самосборки (англ. — self-assembly), которому чуть более двух десятков лет. В соотношении двух этих понятий до сих пор нет полной ясности во многом потому, что представители различных научных дисциплин трактуют их по-своему.

Наличие двух понятий — «самосборка» и «самоорганизация» при описании процессов в открытых диссипативных системах привело к некоторой путанице: иногда эти понятия рассматривают как синонимы, но их изначальное значение все-таки различается. Данное отличие подчеркивается в современной энциклопедии по нанотехнологиям [10], в которой специфика понятия «самосборка» по отношению к понятию «самоорганизация» трактуется следующим образом. Самосборка — процесс, в котором принимают участие только компоненты конечной структуры, т.е. включаемые в собирающуюся структуру. Как правило, в этот процесс вовлечены гидрофобные или гидрофильные взаимодействия, кулоновские и ван-дер-вааальсовы силы, как, например, в случае взаимодействия наночастиц в коллоидном растворе.

Самоорганизация же определена как механизм или процесс формирования образца на высшем масштабном уровне посредством множественных взаимодействий компонентов более низких иерархических уровней системы. При этом компоненты взаимодействуют через свои локальные взаимодействия, каждое из которых в отдельности не определяет финальную структуру образца. Иными словами, можно было бы сказать, что самоорганизация — это многостадийная или многомасштабная самосборка. И наоборот, самосборка — это локальная самоорганизация на одном из иерархических масштабных уровней на основе свойственных этому уровню взаимодействий.

Однако такое определение и разграничение выглядит недостаточно четко, поскольку в нем не подчеркиваются изначальные синергетические аспекты понятия самоорганизации. Чтобы восполнить этот пробел, нужно рассмотреть особенности явлений, попадающих под рассматриваемые определения. Рассмотрим основные характеристики самоорганизующейся системы. Такая система является открытой, т.е. происходит обмен энергией (в том числе, возможно, веществом) с окружающей средой; макроскопическое поведение системы описывается параметром порядка и управляющими параметрами, определяющими поступление энергии в систему извне; существует критическое значение управляющих параметров, при которых система спонтанно переходит в упорядоченное состояние, обусловленное согласованным поведением элементов системы. Эффект упорядочения обнаруживается только на макроскопическом уровне. Важно заметить, что новое состояние существует только при безостановочном потоке энергии или вещества в систему.

Имеется три стандартных примера самоорганизации: лазер (генерация когерентного излучения при достижении определенных параметров накачки); ячейки Бенара (образование стационарных конвективных потоков, имеющих сотовую структуру) и реакция Белоусова-Жаботинского (концентрационные автоколебания). Недавно был предложен новый тип автоколебательного процесса — образование структур в мениске на вертикальной пластинке, установленной в чаше коллоидного раствора, который испаряется в атмосферу [11–14].

Рассмотрим ансамбль коллоидных частиц в испаряющейся капле раствора на подложке как пример самособирающейся системы. Процесс самосборки в капле или тонкой пленке предполагает некоторую ограниченную во времени эволюцию системы от некоторого начального состояния, когда элементы системы обладают подвижностью, до некоторого конечного состояния, когда элементы теряют подвижность, образуя финальную морфологию, характеризуемую фиксированной в пространстве архитектурой ансамбля наноструктур.

По аналогии с самоорганизацией, можно выделить следующие характерные особенности самособирающейся системы: она является открытой, т.е. происходит обмен энергией и веществом с окружающей средой; содержит ансамбль наноструктур (коллоидных частиц); существует исходное (неупорядоченное) и конечное (упорядоченное) состояние ансамбля; переход из исходного состояния в финальное занимает конечное время и является необратимым: переход инициируется испарением растворителя в окружающую среду, приводящим к уменьшению объема раствора, в результате чего капиллярные силы совершают работу по упорядочению системы и диссипируются силами трения. Таким образом, подвод энергии из внешней среды происходит в процессе испарения растворителя и прекращается с его испарением.

В отличие от этого самоорганизация характеризуется автоколебательными или стационарными процессами, требующими непрерывного подвода энергии. Так, конвективные потоки в ячейках Бенара существуют лишь при наличии подогрева снизу слоя жидкости и охлаждения его сверху. Такой же подвод тепла необходим для концентрационных автоколебаний в реакции Белоусова-Жаботинского, а в случае колебаний в мениске вертикальной пластинки требуется непрерывный процесс тепломассобмена с окружающей средой — испарение растворителя из сосуда, при котором непрерывно понижается уровень раствора (резервуар предполагается практически неиссякаемым) [11–14].

Упорядочение в процессе самоорганизации определяется нелинейностью процессов (точнее — уравнений, их описывающих). Так, стационарные потоки Рэлея-Бенара описываются нелинейным относительно скорости потока уравнениями Буссинеска; концентрационные автоколебания Белоусова-Жаботинского описываются нелинейной системой уравнений (например, модель «брюсселятора»); для автоколебаний в мениске применима модель, учитывающая нелинейность (по отношению к контактному углу) эффективного трения контактной линии мениска о пластинку [11–13]. Для самоорганизации характерны понятия бифуркации и потери устойчивости, приводящей к установлению незатухающего процесса, аналога которому нет в методологии процесса самосборки в описанном выше смысле.

В явлении самосборки, в отличие от самоорганизации, основной источник упорядочения связан с наличием локальных и глобального минимумов на энергетической поверхности при финитности процесса перехода от неупорядоченного к упорядоченному состоянию (беспорядок-порядок). Параметры системы определяют, успевает ли она за время эволюции достигнуть того или иного минимума: локальных или глобального.

Существует аналогия сборки упорядоченной фазы коллоидных частиц с фазовым переходом первого рода в молекулярной физике (образованием кристалла при сублимации или кристаллизации вещества из раствора). Результат самосборки — это некоторая неподвижная структура (твердая фаза), тогда как в случае самоорганизации, как правило, результатом является стационарный процесс или установившийся колебательный процесс.

Можно также заметить, что понятие самосборки имеет более явно выраженный технологический аспект, тогда как самоорганизация по смыслу восходит к своему теоретическому (синергетическому) прототипу.

__________________________________________________________

10. Nalva H.S. Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology. / Edited by H. S. Nalwa. — V. X: P. 1.

11.  Карабут Т.А., Лебедев-Степанов П.В. Труды 52-й научной конференции МФТИ, с. 28.

12. Лебедев-Степанов П.В., Карабут Т.А., Рыбак С.А. // Сборник Российского акустического общества. М: ГЕОС, 2009, с. 36.

13. Молчанов С.П., Лебедев-Степанов П.В., Климонский С.О., Шеберстов К.Ф., Третьяков С.Ю., Алфимов М.В. — Российские нанотехнологии. — 2010, № 5-6, с. 54.

14. Лебедев-Степанов П.В., Молчанов С.П., Карабут Т.А., Рыбак С.А. Акустический журнал. 2010. № 5, с. 613.